JP7761382B2 - Image sensor with color separation lens array and electronic device including same - Google Patents
Image sensor with color separation lens array and electronic device including sameInfo
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Description
本発明は、色分離レンズアレイを具備するイメージセンサ、及び該イメージセンサを含む電子装置に係り、さらに詳細には、入射光を、波長別に分離させて集光することができる色分離レンズアレイを具備するイメージセンサ、及び該イメージセンサを含む電子装置に関する。 The present invention relates to an image sensor having a color separation lens array and an electronic device including the image sensor. More specifically, the present invention relates to an image sensor having a color separation lens array that can separate and focus incident light according to wavelength, and an electronic device including the image sensor.
イメージセンサは、一般的に、カラーフィルタを利用し、入射光の色を感知する。ところで、カラーフィルタは、当該色の光を除いた残りの色の光を吸収するために、光利用効率が低下してしまう。例えば、RGBカラーフィルタを使用する場合、入射光の1/3のみを透過させ、残り2/3は吸収してしまうことになるので、光利用効率が約33%ほどに過ぎない。従って、カラーディスプレイ装置やカラーイメージセンサの場合、ほとんどの光損失がカラーフィルタで生じることになる。 Image sensors generally use color filters to detect the color of incident light. However, color filters absorb light of colors other than the one they detect, reducing light utilization efficiency. For example, when using an RGB color filter, only one-third of the incident light is transmitted and the remaining two-thirds is absorbed, resulting in a light utilization efficiency of only about 33%. Therefore, in the case of color display devices and color image sensors, most of the light loss occurs in the color filters.
本発明が解決しようとする課題は、入射光を、波長別に分離させて集光することができる色分離レンズアレイを利用し、光利用効率が向上されたイメージセンサを提供することである。 The problem that this invention aims to solve is to provide an image sensor with improved light utilization efficiency by using a color separation lens array that can separate and focus incident light according to wavelength.
本発明が解決しようとする課題は、また該イメージセンサを含む電子装置を提供することである。 The problem that the present invention aims to solve is also to provide an electronic device that includes such an image sensor.
一実施形態によるイメージセンサは、光を感知する第1光感知セル及び第2光感知セルを含むセンサ基板と、前記第1光感知セルに対向し、第1ナノポストを含む第1領域、及び前記第2光感知セルに対向し、第2ナノポストを含む第2領域を具備する色分離レンズアレイと、を含み、前記第1ナノポストと前記第2ナノポストは、形状、大きさ、配列のうち少なくとも一つが互いに異なり、前記第1ナノポストと前記第2ナノポストは、前記色分離レンズアレイに入射する入射光のうち、互いに異なる第1波長の光と、第2波長の光とが互いに異なる方向に分岐され、それぞれ前記第1光感知セル及び前記第2光感知セルに集光される位相分布を、前記第1領域及び前記第2領域を通過した位置で形成することができる。
前記第1ナノポストと前記第2ナノポストは、前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、第1波長の光が、前記第1光感知セルの中心部に対応する位置においては、2Nπの位相分布を形成し、前記第2光感知セルの中心部に対応する位置においては、(2N-1)πの位相分布を形成することができる。ここで、Nは、0より大きい整数である。
An image sensor according to an embodiment includes: a sensor substrate including first and second photosensitive cells that detect light; and a color separation lens array including a first region facing the first photosensitive cells and including first nanoposts, and a second region facing the second photosensitive cells and including second nanoposts, wherein the first and second nanoposts are different from each other in at least one of shape, size, and arrangement, and the first and second nanoposts may split light having a first wavelength and light having a second wavelength, which are different from each other, of incident light entering the color separation lens array into different directions, and form phase distributions of the light focused on the first and second photosensitive cells at positions after passing through the first and second regions.
The first nanoposts and the second nanoposts can cause the light of the first wavelength to form a phase distribution of 2Nπ at a position corresponding to the center of the first photosensitive cell and a phase distribution of (2N−1)π at a position corresponding to the center of the second photosensitive cell, immediately after passing through the color separation lens array, where N is an integer greater than 0.
前記第1ナノポストと前記第2ナノポストは、前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、第2波長の光が、前記第1光感知セルの中心部に対応する位置においては、(2M-1)πの位相分布を形成し、前記第2光感知セルの中心部に対応する位置においては、2Mπの位相分布を形成することができる。ここで、Mは0より大きい整数である。 The first nanoposts and the second nanoposts can form a (2M-1)π phase distribution at the position corresponding to the center of the first photosensitive cell and a 2Mπ phase distribution at the position corresponding to the center of the second photosensitive cell, immediately after the light has passed through the color separation lens array. Here, M is an integer greater than 0.
前記イメージセンサは、前記センサ基板と前記色分離レンズアレイとの間に配置され、前記センサ基板と前記色分離レンズアレイとの間に距離を形成するスペーサ層をさらに含んでもよい。 The image sensor may further include a spacer layer disposed between the sensor substrate and the color separation lens array, forming a distance between the sensor substrate and the color separation lens array.
前記スペーサ層は、前記色分離レンズアレイが色分離させる入射光の波長帯域の中心波長において、前記色分離レンズアレイに該当する厚みを有することができる。 The spacer layer may have a thickness corresponding to the color separation lens array at the center wavelength of the wavelength band of incident light that is color separated by the color separation lens array.
前記スペーサ層の理論厚をht、前記光感知セルのピッチをp、前記スペーサ層の屈折率をn、前記色分離レンズアレイが色分離させる光の波長帯域の中心波長をλ0とするとき、前記スペーサ層の理論厚htは、 Let h t be the theoretical thickness of the spacer layer, p be the pitch of the photosensitive cells, n be the refractive index of the spacer layer, and λ 0 be the central wavelength of the wavelength band of light that is color-separated by the color separation lens array. Then, the theoretical thickness h t of the spacer layer is given by:
であり、前記スペーサ層の実際厚hは、ht-p≦h≦ht+pである。
前記センサ基板は、光を感知する第3光感知セル及び第4光感知セルをさらに含み、前記色分離レンズアレイは、前記第3光感知セルに対向し、第3ナノポストを含む第3領域、及び前記第4光感知セルに対向し、第4ナノポストを含む第4領域を含み、前記第3ナノポストと前記第4ナノポストは、形状、大きさ、配列のうち少なくとも一つが互いに異なってもよい。
and the actual thickness h of the spacer layer is h t −p≦h≦h t +p.
The sensor substrate may further include third and fourth photosensitive cells that detect light, and the color separation lens array may include a third region facing the third photosensitive cells and including third nanoposts, and a fourth region facing the fourth photosensitive cells and including fourth nanoposts, and the third nanoposts and the fourth nanoposts may be different from each other in at least one of shape, size, and arrangement.
前記第1ナノポストないし前記第4ナノポストは、前記色分離レンズアレイに入射する入射光のうち、互いに異なる第1波長、第2波長、第3波長の光が互いに異なる方向に分岐され、第1波長の光が、前記第1光感知セルと前記第4光感知セルとに集光され、第2波長の光が、前記第2光感知セルに集光され、第3波長の光が、前記第3光感知セルに集光される位相分布を、前記第1領域ないし前記第4領域を通過した位置で形成することができる。 The first to fourth nanoposts can split light beams of different wavelengths, that is, first, second, and third wavelengths, from the light beams incident on the color separation lens array into different directions, and form a phase distribution at the position where the light beams pass through the first to fourth regions, such that the light beams of the first wavelength are focused on the first and fourth photosensitive cells, the light beams of the second wavelength are focused on the second photosensitive cells, and the light beams of the third wavelength are focused on the third photosensitive cells.
前記第1波長は、緑色光であり、前記第2波長は、青色光であり、前記第3波長は、赤色光でもある。 The first wavelength is green light, the second wavelength is blue light, and the third wavelength is also red light.
前記第1ナノポストないし前記第4ナノポストは、前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、第1波長の光が、前記第1光感知セルの中心部と、前記第4光感知セルの中心部とに対応する位置においては、2Nπの位相分布を形成し、前記第2光感知セルの中心部と、前記第3光感知セルの中心部とに対応する位置においては、(2N-1)πの位相分布を形成するようにしてもよい。ここで、Nは、0より大きい整数である。 The first to fourth nanoposts may be configured so that, immediately after passing through the color separation lens array, the light of the first wavelength forms a phase distribution of 2Nπ at positions corresponding to the central parts of the first and fourth photosensitive cells, and a phase distribution of (2N-1)π at positions corresponding to the central parts of the second and third photosensitive cells. Here, N is an integer greater than 0.
前記第1ナノポストないし前記第4ナノポストは、前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、第2波長の光が、前記第1光感知セルの中心部、及び前記第4光感知セルの中心部に対応する位置においては、(2M-1)πの位相分布を形成し、前記第2光感知セルの中心部に対応する位置においては、2Mπの位相分布を形成し、前記第3光感知セルの中心部に対応する位置において、(2M-2)πより大きく、(2M-1)πより小さい位相分布を形成するようにしてもよい。 The first to fourth nanoposts may be configured so that, immediately after passing through the color separation lens array, the light of the second wavelength forms a phase distribution of (2M-1)π at positions corresponding to the central parts of the first and fourth photosensitive cells, a phase distribution of 2Mπ at a position corresponding to the central part of the second photosensitive cell, and a phase distribution greater than (2M-2)π and smaller than (2M-1)π at a position corresponding to the central part of the third photosensitive cell.
前記第1ナノポストないし前記第4ナノポストは、前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、第3波長の光が、前記第1光感知セルの中心部、及び前記第4光感知セルの中心部に対応する位置においては、(2L-1)πの位相分布を形成し、前記第3光感知セルの中心部に対応する位置においては、2Lπの位相分布を形成し、前記第2光感知セルの中心部に対応する位置において、(2L-2)πより大きく、(2L-1)πより小さい位相分布を形成するようにしてもよい。ここで、Lは、0より大きい整数である。 The first to fourth nanoposts may be configured so that, immediately after passing through the color separation lens array, the light of the third wavelength forms a phase distribution of (2L-1)π at positions corresponding to the centers of the first and fourth photosensitive cells, a phase distribution of 2Lπ at a position corresponding to the center of the third photosensitive cell, and a phase distribution greater than (2L-2)π and less than (2L-1)π at a position corresponding to the center of the second photosensitive cell. Here, L is an integer greater than 0.
前記イメージセンサは、赤色画素、緑色画素、青色画素を含む複数の単位画素がベイヤーパターン(Bayer pattern)に配列された画素配列構造を有し、前記第1領域ないし前記第4領域において、緑色画素に対応する領域に具備されたナノポストは、第1方向、及び第1方向に垂直した第2方向に沿い、互いに異なる分布規則を有することができる。 The image sensor has a pixel array structure in which a plurality of unit pixels, including red, green, and blue pixels, are arranged in a Bayer pattern, and the nanoposts provided in the regions corresponding to the green pixels in the first through fourth regions may have different distribution patterns along a first direction and a second direction perpendicular to the first direction.
前記第1領域ないし前記第4領域において、青色画素及び赤色画素に対応する領域に具備されたナノポストは、前記第1方向及び前記第2方向に沿い、対称的な分布規則を有することができる。 In the first to fourth regions, the nanoposts provided in the regions corresponding to the blue and red pixels may have a symmetrical distribution pattern along the first and second directions.
前記第1領域ないし前記第4領域において、緑色画素に対応する領域の中心部に位置するナノポストは、他カラーの画素に対応する領域に具備されたナノポストより大きい断面積を有することができる。 In the first through fourth regions, the nanoposts located in the center of the region corresponding to the green pixel may have a larger cross-sectional area than the nanoposts provided in the regions corresponding to the pixels of other colors.
前記第1領域ないし前記第4領域において、緑色画素に対応する領域に具備されたナノポストは、中心部に配置されたナノポストが、周辺部に配置されたナノポストより大きい断面積を有することができる。 In the first through fourth regions, the nanoposts provided in the regions corresponding to the green pixels may have a larger cross-sectional area in the center than in the periphery.
前記色分離レンズアレイは、前記センサ基板のエッジに対して突出して配置され、鉛直方向に、前記センサ基板のいかなる光感知セルとも対向しない複数の第1領域、及び複数の第2領域をさらに含んでもよい。 The color separation lens array may further include a plurality of first regions and a plurality of second regions that are arranged to protrude from the edge of the sensor substrate and do not face any of the photosensitive cells of the sensor substrate in the vertical direction.
前記第1ナノポスト、前記第2ナノポストのうち少なくとも一つは、下部ポスト、及び前記下部ポスト上に積層された上部ポストを含み、前記下部ポストと前記上部ポストとが互いにずれるようにも積層される。 At least one of the first nanoposts and the second nanoposts includes a lower post and an upper post stacked on the lower post, and the lower post and the upper post are stacked so as to be offset from each other.
前記下部ポストと前記上部ポストとが互いにずれる程度は、前記イメージセンサの中心部から周辺部に行くほど大きくもなる。 The degree to which the lower post and the upper post are misaligned with each other increases as you move from the center to the periphery of the image sensor.
他の実施形態によるイメージセンサは、第1行に沿って交互に配列された複数の第1光感知セル、及び複数の第2光感知セル、並びに第1行に隣接した第2行に沿って交互に配列された複数の第3光感知セル、及び複数の第4光感知セルを含むセンサ基板と、前記複数の第1光感知セルにそれぞれ対向し、第1ナノポストを含む複数の第1領域、前記複数の第2光感知セルにそれぞれ対向し、第2ナノポストを含む複数の第2領域、前記複数の第3光感知セルにそれぞれ対向し、第3ナノポストを含む複数の第3領域、及び前記複数の第4光感知セルにそれぞれ対向し、第4ナノポストを含む複数の第4領域を具備する色分離レンズアレイと、を含み、前記第1領域に入射された光のうち、第1波長の光は、前記第1領域下部に位置する第1光感知セルに集光され、第2波長の光は、前記第1光感知セルと横方向に沿って隣接する第2光感知に分岐され、第3波長の光は、第1光感知セルと縦方向に沿って隣接する第3光感知に分岐され、前記第2領域に入射された光のうち、第2波長の光は、前記第2領域直下部に位置する第2光感知セルに集光され、第1波長の光は、前記第2光感知セルと横方向に沿って隣接する第1光感知セル、及び縦方向に沿って隣接する第4光感知に分岐され、第3波長の光は、前記第2光感知セルと対角方向に沿って隣接する第3光感知に分岐されるように、前記第1ナノポストないし前記第4ナノポストの形状、大きさ、配列が設定されうる。 An image sensor according to another embodiment includes a sensor substrate including a plurality of first photosensitive cells and a plurality of second photosensitive cells alternately arranged along a first row, and a plurality of third photosensitive cells and a plurality of fourth photosensitive cells alternately arranged along a second row adjacent to the first row; and a color separation lens array including a plurality of first regions facing the plurality of first photosensitive cells, each including a first nanopost; a plurality of second regions facing the plurality of second photosensitive cells, each including a second nanopost; a plurality of third regions facing the plurality of third photosensitive cells, each including a third nanopost; and a plurality of fourth regions facing the plurality of fourth photosensitive cells, each including a fourth nanopost. The shapes, sizes, and arrangements of the first to fourth nanoposts may be set so that light of a first wavelength is focused on a first photosensitive cell located below the first region, light of a second wavelength is branched to a second photosensitive cell adjacent to the first photosensitive cell in the horizontal direction, light of a third wavelength is branched to a third photosensitive cell adjacent to the first photosensitive cell in the vertical direction, and among the light incident on the second region, light of the second wavelength is focused on a second photosensitive cell located immediately below the second region, light of the first wavelength is branched to a first photosensitive cell adjacent to the second photosensitive cell in the horizontal direction and a fourth photosensitive cell adjacent to the second photosensitive cell in the vertical direction, and light of a third wavelength is branched to a third photosensitive cell diagonally adjacent to the second photosensitive cell.
前記第1波長の光は、緑色光であり、前記第2波長の光は、青色光であり、前記第3波長の光は、赤色光でもある。 The light of the first wavelength is green light, the light of the second wavelength is blue light, and the light of the third wavelength is also red light.
他の実施形態による電子装置は、被写体から反射された光を集束して光学像を形成する撮像部と、前記撮像部で形成された光学像を電気的信号に変換する、前述のいずれか1つのイメージセンサと、を含んでもよい。 An electronic device according to another embodiment may include an imaging unit that focuses light reflected from a subject to form an optical image, and any one of the image sensors described above that converts the optical image formed by the imaging unit into an electrical signal.
前記電子装置は、スマートフォン、携帯電話、PDA(personal digital assistant)、ラップトップ、PC(personal computer)、家電製品、保安カメラ、医療用カメラ、自動車または事物インターネット(IoT:Internet of Things)機器でもある。 The electronic device may be a smartphone, a mobile phone, a PDA (personal digital assistant), a laptop, a PC (personal computer), a home appliance, a security camera, a medical camera, a car, or an Internet of Things (IoT) device.
開示された色分離レンズアレイは、入射光を吸収したり遮断したりせずに、波長別に分離させて集光することができるために、イメージセンサの光利用効率を向上させることができる。また、開示された色分離レンズアレイを採用したイメージセンサは、イメージセンサで一般的に採択されているベイヤーパターン(Bayer pattern)方式を維持することができ、既存のイメージセンサの画素構造とイメージ処理アルゴリズムとを活用することができる。また、開示された色分離レンズアレイを採用したイメージセンサは、光を画素に集光させるための別途のマイクロレンズを必要としない。 The disclosed color separation lens array can separate and focus incident light by wavelength without absorbing or blocking it, thereby improving the light utilization efficiency of the image sensor. Furthermore, an image sensor employing the disclosed color separation lens array can maintain the Bayer pattern method commonly used in image sensors, and can utilize the pixel structure and image processing algorithms of existing image sensors. Furthermore, an image sensor employing the disclosed color separation lens array does not require a separate microlens to focus light onto the pixels.
以下、添付された図面を参照し、色分離レンズアレイを具備するイメージセンサ、及びそれを含む電子装置について詳細に説明する。説明される実施形態は、ただ例示的なものに過ぎず、そのような実施形態から、多様な変形が可能である。以下の図面において、同一参照符号は、同一構成要素を指し、図面上において、各構成要素の大きさは、説明の明瞭さ及び便宜さのために、誇張されてもいる。 Hereinafter, an image sensor having a color separation lens array and an electronic device including the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The described embodiments are merely exemplary, and various modifications are possible from such embodiments. In the following drawings, the same reference numerals refer to the same components, and the size of each component may be exaggerated in the drawings for clarity and convenience of explanation.
以下において、「上部」または「上」と記載された表現は、接触し、すぐその上下左右にあるものだけではなく、非接触で、上下左右にあることも含まれる。 In the following, the expressions "top" or "above" include not only things that are in contact and immediately above, below, left or right of something, but also things that are not in contact and are above, below, left or right of something.
第1、第2のような用語は、多様な構成要素の説明に使用されうるが、1つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみに使用される。そのような用語は、構成要素の物質または構造が異なることを限定するものではない。 Terms such as "first" and "second" may be used to describe various components, but are used only to distinguish one component from another. Such terms do not limit the components to differences in material or structure.
単数の表現は、文脈上明白に異なって意味しない限り、複数の表現も含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、それは、特別に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいということを意味する。 Unless the context clearly dictates otherwise, singular expressions also include plural expressions. Furthermore, when a part "comprises" a certain element, this does not mean that it excludes other elements, but that it may further include other elements, unless otherwise specified to the contrary.
また、明細書に記載された「…部」、「モジュール」のような用語は、機能や動作を処理する単位を意味し、それは、ハードウェアまたはソフトウェアによっても具現され、ハードウェアとソフトウェアとの結合によっても具現される。 In addition, terms such as "unit" and "module" used in the specification refer to units that process functions or operations, and may be realized by hardware or software, or by a combination of hardware and software.
「前記」の用語、及びそれと類似した指示用語の使用は、単数及び複数のいずれにも該当しうる。 The use of the term "said" and similar referents may refer to both the singular and the plural.
方法を構成する段階は、説明された順に行わなければならないという明白な言及がなければ、適切な順序によっても行われる。また、全ての例示的な用語(例:「例えば」)の使用は、単に技術的思想を詳細に説明するためのものであり、特許請求の範囲によって限定されない以上、そのような用語により、権利範囲が限定されるものではない。 The steps constituting the method may be performed in any suitable order unless expressly stated to be performed in the order described. Furthermore, the use of all exemplary terms (e.g., "for example") is merely intended to illustrate the technical concept in detail and does not limit the scope of the claims, as such terms are not intended to limit the scope of the invention.
図1は、一実施形態によるイメージセンサの概略的なブロック図である。図1を参照すれば、イメージセンサ1000は、画素アレイ1100、タイミングコントローラ1010、ロウデコーダ1020及び出力回路1030を含んでもよい。イメージセンサ1000は、CCD(charge coupled device)イメージセンサまたはCMOS(complementary metal oxide semiconductor)イメージセンサでもある。 FIG. 1 is a schematic block diagram of an image sensor according to one embodiment. Referring to FIG. 1, the image sensor 1000 may include a pixel array 1100, a timing controller 1010, a row decoder 1020, and an output circuit 1030. The image sensor 1000 may be a CCD (charge coupled device) image sensor or a CMOS (complementary metal oxide semiconductor) image sensor.
画素アレイ1100は、複数のロウとカラムとに沿い、二次元配列された画素を含む。ロウデコーダ1020は、タイミングコントローラ1010から出力されたロウアドレス信号に応答し、画素アレイ1100のロウのうち一つを選択する。出力回路1030は、選択されたロウに沿って配列された複数の画素から、カラム単位で光感知信号を出力する。そのために、出力回路1030は、カラムデコーダとアナログ・デジタル変換器(ADC:analog to digital converter)を含んでもよい。例えば、出力回路1030は、カラムデコーダ、及び画素アレイ1100間において、カラム別にそれぞれ配置された複数のADC、またはカラムデコーダの出力端に配置された1つのADCを含んでもよい。タイミングコントローラ1010、ロウデコーダ1020及び出力回路1030は、1つのチップ、またはそれぞれ別個のチップにも具現される。出力回路1030を介して出力された映像信号を処理するためのプロセッサが、タイミングコントローラ1010、ロウデコーダ1020及び出力回路1030と共に、1つのチップにも具現される。 The pixel array 1100 includes pixels arranged two-dimensionally along a plurality of rows and columns. The row decoder 1020 selects one of the rows of the pixel array 1100 in response to a row address signal output from the timing controller 1010. The output circuit 1030 outputs a photo-sensing signal in units of columns from a plurality of pixels arranged along the selected row. To this end, the output circuit 1030 may include a column decoder and an analog-to-digital converter (ADC). For example, the output circuit 1030 may include a column decoder and a plurality of ADCs arranged for each column between the pixel array 1100, or a single ADC arranged at the output end of the column decoder. The timing controller 1010, the row decoder 1020, and the output circuit 1030 may be implemented on a single chip or on separate chips. A processor for processing the video signal output via the output circuit 1030 is also implemented on a single chip together with the timing controller 1010, row decoder 1020, and output circuit 1030.
画素アレイ1100は、互いに異なる波長の光を感知する複数の画素を含んでもよい。該画素は、図2Aないし図2Cのように、多様な方式にも配列される。 The pixel array 1100 may include multiple pixels that sense light of different wavelengths. The pixels may be arranged in various ways, such as those shown in Figures 2A to 2C.
まず、図2Aは、イメージセンサ1000において一般的に採択されているベイヤーパターン(Bayer pattern)を示す。図2を参照すれば、1つの単位画素は、4つの四分領域(quadrant region)を含み、第1四分面ないし第4四分面が、それぞれ青色画素B、緑色画素G、赤色画素R、緑色画素Gにもなる。そのような単位画素が、第1方向(X方向)及び第2方向(Y方向)に沿い、二次元的で反復配列される。言い換えれば、2×2アレイ状の単位画素内において、一方の対角線方向に2個の緑色画素Gが配置され、他方の対角線方向に、それぞれ1個の青色画素Bと1個の赤色画素Rとが配置される。全体的な画素配列を見れば、複数の緑色画素Gと、複数の青色画素Bとが第1方向に沿って交互に配列される第1行(row)と、複数の赤色画素Rと、複数の緑色画素Gとが第1方向に沿って交互に配列される第2行とが反復して配列される。 2A shows a Bayer pattern commonly used in image sensors 1000. Referring to FIG. 2, one unit pixel includes four quadrant regions, with the first through fourth quadrant regions being a blue pixel B, a green pixel G, a red pixel R, and a green pixel G, respectively. Such unit pixels are arranged two-dimensionally in a repeated manner along a first direction (X direction) and a second direction (Y direction). In other words, within a 2x2 array of unit pixels, two green pixels G are arranged in one diagonal direction, and one blue pixel B and one red pixel R are arranged in the other diagonal direction. Looking at the overall pixel arrangement, a first row in which a plurality of green pixels G and a plurality of blue pixels B are alternately arranged along the first direction, and a second row in which a plurality of red pixels R and a plurality of green pixels G are alternately arranged along the first direction are repeatedly arranged.
しかし、画素アレイ1100の配列方式は、ベイヤーパターンにのみ限定されるものではなく、ベイヤーパターン以外にも、多様な配列方式が可能である。例えば、図2Bを参照すれば、マゼンタ(magenta)画素(M)、シアン(cyan)画素(C)、イエロー(yellow)画素(Y)及び緑色画素Gが1つの単位画素を構成するCYGM方式の配列も可能である。また、図2Cを参照すれば、緑色画素G、赤色画素R、青色画素B及び白色画素(W)が1つの単位画素を構成するRGBW方式の配列も可能である。また、図示されていないが、単位画素が3×2アレイ状を有することもできる。それ以外にも、画素アレイ1100の画素は、イメージセンサ1000の色特性により、多様な方式にも配列される。以下においては、便宜上、イメージセンサ1000の画素アレイ1100がベイヤーパターンを有するものであるとして説明するが、以下において説明する実施形態の原理は、ベイヤーパターンではなく、他の形態の画素配列にも適用されうる。 However, the arrangement of the pixel array 1100 is not limited to the Bayer pattern, and various other arrangements are possible. For example, referring to FIG. 2B, a CYGM arrangement is also possible, in which a magenta pixel (M), a cyan pixel (C), a yellow pixel (Y), and a green pixel (G) constitute one unit pixel. Referring to FIG. 2C, an RGBW arrangement is also possible, in which a green pixel G, a red pixel R, a blue pixel B, and a white pixel (W) constitute one unit pixel. Although not shown, the unit pixels may also have a 3x2 array. Alternatively, the pixels of the pixel array 1100 may be arranged in various other ways depending on the color characteristics of the image sensor 1000. For convenience, the following description will be given assuming that the pixel array 1100 of the image sensor 1000 has a Bayer pattern. However, the principles of the embodiments described below may be applied to pixel arrangements other than the Bayer pattern.
一実施形態によれば、イメージセンサ1000の画素アレイ1100は、それぞれの画素に、それに該当する色の光を集光させるように構成された色分離レンズアレイを含んでもよい。図3は、一実施形態による色分離レンズアレイの概略的な構造及び動作を示す概念図である。図3を参照すれば、色分離レンズアレイ130は、所定の規則(rule)により、同一平面に配置されたナノポストNPを含む。そのような色分離レンズアレイ130は、スペーサ層120上にも配置される。 According to one embodiment, the pixel array 1100 of the image sensor 1000 may include a color separation lens array configured to focus light of a corresponding color onto each pixel. FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating the general structure and operation of a color separation lens array according to one embodiment. Referring to FIG. 3, the color separation lens array 130 includes nanoposts NPs arranged on the same plane according to a predetermined rule. Such a color separation lens array 130 is also disposed on the spacer layer 120.
ここで、該規則は、ナノポストNPの形状、大きさ(幅、高さ)、間隔、配列形態などのパラメータに適用されるものであり、入射光Liに対し、色分離レンズアレイ130が具現するターゲット位相分布TPによっても定められる。ターゲット位相分布TPは、入射光Liの波長を分離して集光させるターゲット領域R1、R2を考慮しても定められる。ターゲット位相分布TPは、色分離レンズアレイ130とターゲット領域R1、R2との間に表示されているが、それは、単に図示の便宜によるものである。実際のターゲット位相分布TPは、入射光Liが色分離レンズアレイ130を通過した直後の位置、例えば、色分離レンズアレイ130の下部表面、またはスペーサ層120の上部表面における位相分布を意味する。 Here, this rule applies to parameters such as the shape, size (width, height), spacing, and arrangement of the nanoposts NP, and is also determined by the target phase distribution TP embodied by the color separation lens array 130 for the incident light L i . The target phase distribution TP is also determined by taking into account the target regions R1 and R2 that separate and focus the wavelengths of the incident light L i . Although the target phase distribution TP is shown between the color separation lens array 130 and the target regions R1 and R2, this is merely for convenience of illustration. The actual target phase distribution TP refers to the phase distribution at a position immediately after the incident light L i passes through the color separation lens array 130, for example, at the lower surface of the color separation lens array 130 or the upper surface of the spacer layer 120.
色分離レンズアレイ130は、第1領域131と第2領域132を含んでもよく、第1領域131と第2領域132は、それぞれ1または複数のナノポストNPを含んでもよい。第1領域131及び第2領域132は、それぞれ第1ターゲット領域R1及び第2ターゲット領域R2と対向するように配置され、一対一で対応しうる。第1領域131及び第2領域132には、それぞれ3つのナノポストNPが配置されているように図示されているが、それは、例示的なものである。また、ナノポストNPは、第1領域131及び第2領域132のうちいずれか1領域内に、全体的に位置するように図示されているが、それに限定されるものではなく、一部のナノポストNPは、第1領域131と第2領域132との境界にも配置される。第1領域131に配置されたナノポストNPは第1ナノポストであり、第2領域132に配置されたナノポストNPは第2ナノポストである(他の実施形態においても同様である)。 The color separation lens array 130 may include a first region 131 and a second region 132, each of which may include one or more nanoposts NPs. The first region 131 and the second region 132 may be arranged to face the first target region R1 and the second target region R2, respectively, and may correspond one-to-one. While the first region 131 and the second region 132 are illustrated as each having three nanoposts NPs, this is merely an example. Furthermore, the nanoposts NPs are illustrated as being entirely located within one of the first region 131 and the second region 132, but this is not limiting. Some nanoposts NPs may also be located at the boundary between the first region 131 and the second region 132. The nanoposts NPs arranged in the first region 131 are first nanoposts, and the nanoposts NPs arranged in the second region 132 are second nanoposts (this also applies to other embodiments).
色分離レンズアレイ130のナノポストNPは、入射光Liに含まれた互いに異なる波長の光を、互いに異なる方向に分岐させて集光する位相分布を形成することができる。例えば、入射光Liに含まれた第1波長の光Lλ1は、第1位相分布を有し、第2波長の光Lλ2は、第2位相分布を有するターゲット位相分布TPを形成するように、第1領域131と第2領域132とに分布されるナノポストNPの形状、大きさ、配列などが定められるのである。そのようなターゲット位相分布TPにより、ナノポストNPと、所定離隔距離Aにあるターゲット領域R1、R2に、それぞれ第1波長の光Lλ1と第2波長の光Lλ2とが集光されうる。 The nanoposts NP of the color separation lens array 130 can form a phase distribution that splits and focuses light of different wavelengths included in the incident light Li in different directions. For example, the shapes, sizes, and arrangements of the nanoposts NP distributed in the first region 131 and the second region 132 are determined so that light of a first wavelength Lλ1 included in the incident light Li has a first phase distribution and light of a second wavelength Lλ2 has a second phase distribution to form a target phase distribution TP. Due to this target phase distribution TP, the light of the first wavelength Lλ1 and the light of the second wavelength Lλ2 can be focused on the nanoposts NP and target regions R1 and R2 located at a predetermined distance A, respectively.
ナノポストNPが第1領域131に配置される規則と、第2領域132に配置される規則は、互いに異なってもよい。言い換えれば、第1領域131に具備されている第1ナノポストNPの形状、大きさ、配列のうちいずれか一つは、第2領域132に具備されている第2ナノポストNPの形状、大きさ配列と異なってもよい。 The arrangement of the nanoposts NPs in the first region 131 may be different from the arrangement of the nanoposts NPs in the second region 132. In other words, any one of the shape, size, and arrangement of the first nanoposts NPs provided in the first region 131 may be different from the shape, size, and arrangement of the second nanoposts NPs provided in the second region 132.
ナノポストNPは、分岐対象である波長帯域より小さいサブ波長の形状寸法を有することができる。ナノポストNPは、第1波長、第2波長のうち、短い波長より小さい形状寸法を有することができ、入射光Liが可視光である場合、例えば、400nm、300nmまたは200nmより小さい寸法を有することができる。 The nanopost NPs may have a sub-wavelength shape smaller than the wavelength band to be split. The nanopost NPs may have a shape smaller than the shorter wavelength of the first wavelength or the second wavelength, and when the incident light Li is visible light, may have a size smaller than 400 nm, 300 nm, or 200 nm, for example.
ナノポストNPは、周辺物質の屈折率に比べ、高い屈折率を有する物質からもなる。例えば、ナノポストNPは、単結晶シリコン(c-Si)、ポリシリコン(p-Si)、アモルファスシリコン(a-Si)及びIII-V化合物半導体(GaP、GaN、GaAsなど)、SiC、TiO2、SiN、及び/またはそれらの組み合わせによってもなる。周辺物質と屈折率差を有するナノポストNPは、通過する光の位相を変化させることができる。それは、サブ波長の形状寸法が引き起こす位相遅延(phase delay)が原因であり、位相が遅延される程度は、ナノポストNPの細部的な形状寸法、配列形態などが決定する。周辺物質は、ナノポストNPより低い屈折率を有する誘電体物質、例えば、SiO2または空気によってもなる。 Nanopost NPs can also be made of a material with a higher refractive index than the surrounding material. For example, nanopost NPs can be made of single-crystal silicon (c-Si), polysilicon (p-Si), amorphous silicon (a-Si), III-V compound semiconductors (GaP, GaN, GaAs, etc.), SiC, TiO 2 , SiN, and/or combinations thereof. Nanopost NPs, which have a refractive index different from that of the surrounding material, can change the phase of light passing through them. This is due to the phase delay caused by the subwavelength shape and dimensions, and the degree of phase delay is determined by the detailed shape and arrangement of the nanopost NPs. The surrounding material can also be a dielectric material with a lower refractive index than the nanopost NPs, such as SiO 2 or air.
第1波長λ1と第2波長λ2は、可視光線波長帯域でもあるが、それに限定されるものではなく、配置されたナノポストNPの形状、大きさ、間隔、配列などに係わる規則により、多様な波長帯域が具現されうる。図3は、2つの波長が分岐されて集光されるところを例示しているが、それに限定されるものではなく、入射光は、波長により、3つの方向以上に分岐されても集光される。 The first wavelength λ1 and the second wavelength λ2 may be in the visible light wavelength band, but are not limited to this, and various wavelength bands can be realized depending on the rules regarding the shape, size, spacing, arrangement, etc. of the arranged nanoposts NP. Figure 3 shows an example of two wavelengths being branched and focused, but this is not limited to this, and incident light can be branched in three or more directions depending on the wavelength and still be focused.
以下においては、前述の色分離レンズアレイ130が、イメージセンサ1000の画素アレイ1100に適用された例についてさらに詳細に説明する。 Below, we will provide a more detailed explanation of an example in which the aforementioned color separation lens array 130 is applied to the pixel array 1100 of the image sensor 1000.
図4A及び図4Bは、一実施形態による画素アレイの断面図であり、図5Aは、画素アレイの光感知セル配列を示す平面図であり、図5Bは、色分離レンズアレイのナノポストが配列された形態を例示的に示す平面図である。 Figures 4A and 4B are cross-sectional views of a pixel array according to one embodiment, Figure 5A is a plan view showing the arrangement of photosensitive cells in the pixel array, and Figure 5B is a plan view showing an example of the arrangement of nanoposts in a color separation lens array.
図4A及び図4Bを参照すれば、画素アレイ1100は、光をセンシングする複数の光感知セル111、112、113、114を含むセンサ基板110、センサ基板110上に配置された透明スペーサ層120、及びスペーサ層120上に配置された色分離レンズアレイ130を含む。 Referring to Figures 4A and 4B, the pixel array 1100 includes a sensor substrate 110 including a plurality of photosensitive cells 111, 112, 113, and 114 that sense light, a transparent spacer layer 120 disposed on the sensor substrate 110, and a color separation lens array 130 disposed on the spacer layer 120.
センサ基板110は、光を電気的信号に変換する第1光感知セル111、第2光感知セル112、第3光感知セル113及び第4光感知セル114を含んでもよい。該光感知セルは、例えば、図4Aに図示されているように、第1光感知セル111と第2光感知セル112とが第1方向(X方向)に沿って交互に配列され、Y方向の位置が異なる断面においては、図4Bに図示されているように、第3光感知セル113と第4光感知セル114とが交互に配列されうる。そのような領域区分は、入射光を画素単位に区分してセンシングするためのものであり、例えば、第1光感知セル111と第4光感知セル114は、第1画素に該当する第1波長の光をセンシングし、第2光感知セル112は、第2画素に該当する第2波長の光をセンシングし、第3光感知セル113は、第3画素に該当する第3波長の光をセンシングすることができる。以下において、第1波長の光は、緑色光、第2波長の光は、青色光、第3波長の光は、赤色光であり、第1画素、第2画素、第3画素は、それぞれ緑色画素G、青色画素B、赤色画素Rである場合を例として挙げて説明する。セル間境界には、図示されていないが、セル分離のための分離膜がさらに形成されうる。 The sensor substrate 110 may include first, second, third, and fourth photosensitive cells 111, 112, 113, and 114 that convert light into electrical signals. For example, as shown in FIG. 4A , the first and second photosensitive cells 111 and 112 may be alternately arranged along a first direction (X direction), and in a cross section at a different position in the Y direction, as shown in FIG. 4B , the third and fourth photosensitive cells 113 and 114 may be alternately arranged. Such area division is intended to divide and sense incident light in pixel units. For example, the first and fourth photosensitive cells 111 and 114 may sense light of a first wavelength corresponding to a first pixel, the second photosensitive cell 112 may sense light of a second wavelength corresponding to a second pixel, and the third photosensitive cell 113 may sense light of a third wavelength corresponding to a third pixel. In the following description, the first wavelength light is green light, the second wavelength light is blue light, and the third wavelength light is red light, and the first pixel, second pixel, and third pixel are green pixel G, blue pixel B, and red pixel R, respectively. Although not shown, a separation film for cell separation may be further formed at the boundary between cells.
スペーサ層120は、色分離レンズアレイ130を支持しながら、センサ基板110と色分離レンズアレイ130との間隔を一定に維持させる役割を行い、可視光に対して透明な材料によってもなる。例えば、スペーサ層120は、SiO2、シラノール系ガラス(SOG:siloxane-based spin on glass)のように、色分離レンズアレイ130のナノポストNPの屈折率より低い屈折率を有しながら、可視光帯域において吸収率が低い誘電体材料によってもなる。 The spacer layer 120 supports the color separation lens array 130 and maintains a constant distance between the sensor substrate 110 and the color separation lens array 130. The spacer layer 120 is made of a material that is transparent to visible light. For example, the spacer layer 120 may be made of a dielectric material that has a refractive index lower than that of the nanoposts NPs of the color separation lens array 130 and low absorption in the visible light range, such as SiO 2 or siloxane-based spin-on glass (SOG).
色分離レンズアレイ130は、所定規則によって配列されたナノポストNPを含む。図示されていないが、色分離レンズアレイ130は、ナノポストNPを保護する保護層をさらに具備することができる。該保護層は、ナノポストNPをなす物質の屈折率より低い屈折率を有する誘電体物質によってもなる。 The color separation lens array 130 includes nanopost NPs arranged according to a predetermined pattern. Although not shown, the color separation lens array 130 may further include a protective layer to protect the nanopost NPs. The protective layer may be made of a dielectric material with a refractive index lower than that of the material forming the nanopost NPs.
色分離レンズアレイ130は、複数の光感知セル111、112、113、114と一対一で対応しながら対向する複数の領域131、132、133、134に区画される。複数の領域131、132、133、134それぞれには、1または複数のナノポストNPが配置され、形状、大きさ、配列のうちいずれか一つが領域によって異なってもよい。 The color separation lens array 130 is divided into a plurality of regions 131, 132, 133, and 134 that face the plurality of photosensitive cells 111, 112, 113, and 114 in a one-to-one correspondence. One or more nanoposts NPs are arranged in each of the plurality of regions 131, 132, 133, and 134, and any one of the shape, size, and arrangement may differ depending on the region.
色分離レンズアレイ130は、第1光感知セル111と第4光感知セル114とに、第1波長の光を分岐して集光させ、第2光感知セル112に、第2波長の光を分岐して集光させ、第3光感知セル113に、第3波長の光を分岐して集光させるように領域が区分され、領域ごとに、ナノポストNPの大きさ、形状、配列が定められる。 The color separation lens array 130 is divided into regions so that light of a first wavelength is split and focused onto the first photosensitive cell 111 and the fourth photosensitive cell 114, light of a second wavelength is split and focused onto the second photosensitive cell 112, and light of a third wavelength is split and focused onto the third photosensitive cell 113, and the size, shape, and arrangement of the nanoposts NP are determined for each region.
画素アレイ1100が、図2Aに図示されたベイヤーパターンを有する場合、図5Aの第1光感知セル111と第4光感知セル114は、緑色画素Gに対応し、第2光感知セル112は、青色画素Bに対応し、第3光感知セル113は、赤色画素Rに対応することになる。図5Bを参照すれば、色分離レンズアレイ130の第1領域131及び第4領域134が緑色画素Gに対応し、第2領域132が青色画素Bに対応し、第3領域133が赤色画素Rに対応する。従って、色分離レンズアレイ130は、二次元配列された複数の単位パターンアレイを含み、それぞれの単位パターンアレイは、2×2の形態に配列された第1領域131、第2領域132、第3領域133及び第4領域134を含む。 When the pixel array 1100 has the Bayer pattern shown in FIG. 2A, the first photosensitive cell 111 and the fourth photosensitive cell 114 in FIG. 5A correspond to the green pixel G, the second photosensitive cell 112 corresponds to the blue pixel B, and the third photosensitive cell 113 corresponds to the red pixel R. Referring to FIG. 5B, the first region 131 and the fourth region 134 of the color separation lens array 130 correspond to the green pixel G, the second region 132 corresponds to the blue pixel B, and the third region 133 corresponds to the red pixel R. Therefore, the color separation lens array 130 includes a plurality of unit pattern arrays arranged two-dimensionally, and each unit pattern array includes the first region 131, the second region 132, the third region 133, and the fourth region 134 arranged in a 2x2 pattern.
図5Bに図示されているように、緑色画素Gに対応する第1領域131及び第4領域134、青色画素Bに対応する第2領域132、赤色画素Rに対応する第3領域133は、円形断面を有する円柱状のナノポストNPを含んでもよい。第3領域133に配置されたナノポストNPは第3ナノポストであり、第4領域134に配置されたナノポストNPは第4ナノポストである(他の実施形態においても同様である)。第1領域131、第2領域132、第3領域133及び第4領域134の中心部には、断面積が互いに異なるナノポストNPが配置され、画素間境界線上の中心、及び画素境界線の交差点にも、ナノポストNPが配置されうる。画素間境界に配置されたナノポストNPの断面積は、画素中心部に配置されたナノポストNPより狭い断面積を有することができる。 As shown in FIG. 5B , the first region 131 and fourth region 134 corresponding to the green pixel G, the second region 132 corresponding to the blue pixel B, and the third region 133 corresponding to the red pixel R may include cylindrical nanoposts NPs with circular cross sections. The nanoposts NPs arranged in the third region 133 are third nanoposts, and the nanoposts NPs arranged in the fourth region 134 are fourth nanoposts (this is also true in other embodiments). Nanoposts NPs with different cross-sectional areas are arranged in the centers of the first region 131, second region 132, third region 133, and fourth region 134, and nanoposts NPs may also be arranged at the centers of the inter-pixel boundary lines and at the intersections of the pixel boundary lines. The cross-sectional areas of the nanoposts NPs arranged at the inter-pixel boundary lines may be narrower than those of the nanoposts NPs arranged in the center of the pixels.
図5Cは、図5Bの一部領域、すなわち、単位パターンアレイを構成する第1領域131ないし第4領域134のナノポストNP配列を詳細に示す。図5CにおいてナノポストNPは、単位パターンアレイ内の詳細位置により、p1~p9と表示されている。図5Cを参照すれば、ナノポストNPにおいて、第1領域131の中心部に配置されたナノポストp1、及び第4領域134の中心部に配置されたナノポストp4の断面積が、第2領域132の中心部に配置されたナノポストp2や、第3領域133の中心部に配置されたナノポストp3の断面積より大きく、第2領域132の中心部に配置されたナノポストp2の断面積が、第3領域133の中心部に配置されたナノポストp3の断面積より大きい。ただし、それは、1つの例に過ぎず、必要により、多様な形状、大きさ、配列のナノポストNPが適用されうる。 Figure 5C shows in detail the nanopost NP arrangement in a portion of Figure 5B, i.e., the first region 131 to the fourth region 134 that constitute the unit pattern array. In Figure 5C, the nanopost NPs are labeled p1 to p9 according to their detailed positions within the unit pattern array. Referring to Figure 5C, the cross-sectional areas of the nanopost p1 located at the center of the first region 131 and the nanopost p4 located at the center of the fourth region 134 are larger than the cross-sectional areas of the nanopost p2 located at the center of the second region 132 and the nanopost p3 located at the center of the third region 133, and the cross-sectional area of the nanopost p2 located at the center of the second region 132 is larger than the cross-sectional area of the nanopost p3 located at the center of the third region 133. However, this is merely one example, and nanopost NPs of various shapes, sizes, and arrangements can be applied as needed.
緑色画素Gに対応する第1領域131及び第4領域134に具備されているナノポストNPは、第1方向(X方向)及び第2方向(Y方向)に沿って互いに異なる分布規則を有することができる。例えば、第1領域131及び第4領域134に配置されたナノポストNPは、第1方向(X方向)及び第2方向(Y方向)に沿い、異なる大きさ配列を有することができる。図5Cに図示されているように、ナノポストNPにおいて、第1領域131と、それと第1方向(X方向)に隣接した第2領域132との境界に位置するナノポストp5の断面積と、第1領域131と、それと第2方向(Y方向)に隣接する第3領域133との境界に位置するナノポストp6の断面積は、互いに異なる。同様に、第4領域134と、それと第1方向(X方向)に隣接した第3領域133との境界に位置するナノポストp7の断面積と、第4領域134と、それと第2方向(Y方向)に隣接する第2領域132との境界に位置するナノポストp8の断面積は、互いに異なる。 The nanoposts NP in the first region 131 and the fourth region 134 corresponding to the green pixel G may have different distribution patterns along the first direction (X direction) and the second direction (Y direction). For example, the nanoposts NP arranged in the first region 131 and the fourth region 134 may have different size arrangements along the first direction (X direction) and the second direction (Y direction). As shown in FIG. 5C , the cross-sectional area of the nanopost p5 located at the boundary between the first region 131 and the second region 132 adjacent to it in the first direction (X direction) is different from the cross-sectional area of the nanopost p6 located at the boundary between the first region 131 and the third region 133 adjacent to it in the second direction (Y direction). Similarly, the cross-sectional area of nanopost p7 located at the boundary between the fourth region 134 and the third region 133 adjacent to it in the first direction (X direction) is different from the cross-sectional area of nanopost p8 located at the boundary between the fourth region 134 and the second region 132 adjacent to it in the second direction (Y direction).
一方、青色画素Bに対応する第2領域132、及び赤色画素Rに対応する第3領域133に配置されたナノポストNPは、第1方向(X方向)及び第2方向(Y方向)に沿って対称的な分布規則を有することができる。図5Cに図示されているように、ナノポストNPにおいて、第2領域132と第1方向(X方向)に隣接した画素間境界に置かれるナノポストp5、及び第2領域132と第2方向(Y方向)に隣接した画素間境界に置かれるナノポストp8の断面積は、互いに同じであり、第3領域133において、第1方向(X方向)に隣接した画素間境界に置かれるナノポストp7、及び第3領域133において、第2方向(Y方向)に隣接した画素間境界に置かれるナノポストp6の断面積は、互いに同じである。 Meanwhile, the nanoposts NP arranged in the second region 132 corresponding to the blue pixel B and the third region 133 corresponding to the red pixel R may have a symmetrical distribution pattern along the first direction (X direction) and the second direction (Y direction). As shown in FIG. 5C , the cross-sectional areas of nanopost p5 located at the boundary between pixels adjacent to the second region 132 in the first direction (X direction) and nanopost p8 located at the boundary between pixels adjacent to the second region 132 in the second direction (Y direction) are the same in the nanopost NP. Also, the cross-sectional areas of nanopost p7 located at the boundary between pixels adjacent to the third region 133 in the first direction (X direction) and nanopost p6 located at the boundary between pixels adjacent to the third region 133 in the second direction (Y direction) are the same in the nanopost NP.
一方、第1領域131、第2領域132、第3領域133、第4領域134それぞれの4つのコーナー、すなわち、4つの領域が交差する位置に配置されたナノポストp9は、同一断面積を有する。 On the other hand, nanoposts p9 located at the four corners of each of the first region 131, second region 132, third region 133, and fourth region 134, i.e., at the intersections of the four regions, have the same cross-sectional area.
そのような分布は、ベイヤーパターンの画素配列に起因する。青色画素Bと赤色画素Rは、いずれも第1方向(X方向)と第2方向(Y方向)とに隣接した画素が緑色画素Gとして同一である一方、第1領域131に対応する緑色画素Gは、第1方向(X方向)に隣接した画素が青色画素Bであり、第2方向(Y方向)に隣接した画素が赤色画素Rとして互いに異なり、第4領域134に対応する緑色画素Gは、第1方向(X方向)に隣接した画素が赤色画素Rであり、第2方向(Y方向)に隣接した画素が青色画素Bとして互いに異なる。そして、第1領域131、第4領域134に対応する緑色画素Gは、4つの対角方向に隣接する画素が緑色画素Gとして互いに同じであり、第2領域132に対応する青色画素Bは、4つの対角方向に隣接する画素が赤色画素Rとして互いに同じであり、第3領域133に対応する赤色画素Rは、4つの対角方向に隣接する画素が青色画素Bとして互いに同じである。従って、青色画素Bと赤色画素Rとにそれぞれ対応する第2領域132と第3領域133とにおいては、4回対称(4-fold symmetry)の形態にナノポストNPが配列され、緑色画素Gに対応する第1領域131及び第4領域134においては、2回対称(2-fold symmetry)の形態にナノポストNPが配列されうる。特に、第1領域131と第4領域134は、互いに対し、90°回転されている。 This distribution results from the Bayer pattern pixel arrangement. For both blue and red pixels, adjacent pixels in the first direction (X direction) and the second direction (Y direction) are identical as green pixels G. Meanwhile, for green pixels G corresponding to the first region 131, adjacent pixels in the first direction (X direction) are blue pixels B and adjacent pixels in the second direction (Y direction) are red pixels R. For green pixels G corresponding to the fourth region 134, adjacent pixels in the first direction (X direction) are red pixels R and adjacent pixels in the second direction (Y direction) are blue pixels B. Furthermore, for green pixels G corresponding to the first and fourth regions 131 and 134, adjacent pixels in the four diagonal directions are identical as green pixels G. For blue pixels B corresponding to the second region 132, adjacent pixels in the four diagonal directions are identical as red pixels R. For red pixels R corresponding to the third region 133, adjacent pixels in the four diagonal directions are identical as blue pixels B. Therefore, in the second region 132 and the third region 133 corresponding to the blue pixel B and the red pixel R, respectively, the nanoposts NP are arranged in a 4-fold symmetry form, and in the first region 131 and the fourth region 134 corresponding to the green pixel G, the nanoposts NP are arranged in a 2-fold symmetry form. In particular, the first region 131 and the fourth region 134 are rotated 90° with respect to each other.
ナノポストNPは、いずれも対称的な円形の断面形状を有するように図示されているが、それに限定されるものではなく、非対称形状の断面形状を有するナノポストが一部含まれてもよい。例えば、緑色画素Gに対応する第1領域131と第4領域134とには、第1方向(X方向)と第2方向(Y方向)との幅が互いに異なる非対称断面形状を有するナノポストが採用され、青色画素Bと赤色画素Rとにそれぞれ対応する第2領域132と第3領域133とには、第1方向(X方向)と第2方向(Y方向)との幅が同じである対称的な断面形状を有するナノポストが採用されうる。 While the nanoposts NP are illustrated as having a symmetrical circular cross-sectional shape, this is not limiting and some nanoposts may have asymmetric cross-sectional shapes. For example, the first region 131 and fourth region 134 corresponding to the green pixel G may employ nanoposts having asymmetric cross-sectional shapes with different widths in the first direction (X direction) and the second direction (Y direction), while the second region 132 and third region 133 corresponding to the blue pixel B and the red pixel R, respectively, may employ nanoposts having symmetric cross-sectional shapes with the same widths in the first direction (X direction) and the second direction (Y direction).
色分離レンズアレイ130の配列規則は、第1光感知セル111と第4光感知セル114とに第1波長の光を分岐して集光させ、第2光感知セル112に第2波長の光を分岐して集光させ、第3光感知セル113に第3波長の光を分岐して集光させるターゲット位相分布を具現するための一例示であるが、図示されたパターンに限定されるものではない。 The arrangement pattern of the color separation lens array 130 is one example for realizing a target phase distribution in which light of a first wavelength is split and focused by the first photosensitive cell 111 and the fourth photosensitive cell 114, light of a second wavelength is split and focused by the second photosensitive cell 112, and light of a third wavelength is split and focused by the third photosensitive cell 113, but is not limited to the pattern shown in the figure.
色分離レンズアレイ130を通過した位置において、第1波長の光が、第1光感知セル111と第4光感知セル114とに集光される位相を形成し、隣接した第2光感知セル112と第3光感知セル113とには進まない位相を形成するように、色分離レンズアレイ130の各領域に具備されるナノポストNPの形状、大きさ、配列が定められうる。 The shape, size, and arrangement of the nanoposts NP provided in each region of the color separation lens array 130 can be determined so that, at the position where the light of the first wavelength passes through the color separation lens array 130, it forms a phase where it is focused on the first photosensitive cell 111 and the fourth photosensitive cell 114, and does not travel to the adjacent second photosensitive cell 112 and third photosensitive cell 113.
同様に、色分離レンズアレイ130を通過した位置において、第2波長の光が第2光感知セル112に集光される位相を形成し、隣接した第1光感知セル111、第3光感知セル113及び第4光感知セル114には進まない位相を形成するように、色分離レンズアレイ130の各領域に具備されるナノポストNPの形状、大きさ、配列が定められうる。 Similarly, the shape, size, and arrangement of the nanoposts NP provided in each region of the color separation lens array 130 can be determined so that, at a position where the light of the second wavelength has passed through the color separation lens array 130, it forms a phase in which it is focused on the second photosensitive cell 112 and does not travel to the adjacent first photosensitive cell 111, third photosensitive cell 113, and fourth photosensitive cell 114.
また同様に、色分離レンズアレイ130を通過した位置において、第3波長の光が第3光感知セル113に集光される位相を形成し、隣接した第1光感知セル111、第2光感知セル112及び第4光感知セル114には進まない位相を形成するように、色分離レンズアレイ130の各領域に具備されるナノポストNPの形状、大きさ、配列が定められうる。 Similarly, the shape, size, and arrangement of the nanoposts NP provided in each region of the color separation lens array 130 can be determined so that, at a position where the light of the third wavelength has passed through the color separation lens array 130, it forms a phase in which the light is focused on the third photosensitive cell 113 and does not travel to the adjacent first photosensitive cell 111, second photosensitive cell 112, and fourth photosensitive cell 114.
そのような条件をいずれも満足させるナノポストNPの形状、大きさ及び/または配列が定められ、そのような色分離レンズアレイ130は、通過した直後の光が、次のようなターゲット位相分布を有するようにすることができる。色分離レンズアレイ130を通過した直後の位置において、言い換えれば、色分離レンズアレイ130の下部表面、またはスペーサ層120の上部表面において、第1波長の光の位相は、第1光感知セル111に対応する第1領域131の中心部と、第4光感知セル114に対応する第4領域134の中心部とにおいて、2Nπであり、第2光感知セル112に対応する第2領域132の中心部、及び第3光感知セル113に対応する第3領域133の中心部においては、(2N-1)πの位相を示す分布でもある。ここで、Nは、0より大きい整数である。言い換えれば、色分離レンズアレイ130を透過した直後の位置において、第1波長の光の位相が、第1領域131の中心部と、第4領域134の中心部とにおいて、最大になり、第1領域131の中心部と、第4領域134の中心部とから遠くなるほど、同心円状にだんだんと小さくなり、第2領域132の中心部と、第3領域133の中心部とにおいて、最小にもなる。例えば、N=1である場合、色分離レンズアレイ130を透過した位置において、緑色光の位相は、第1領域131の中心部と、第4領域134の中心部とにおいて、2πであり、第2領域132の中心部と、第3領域133の中心部とにおいて、πにもなる。ここで、該位相は、光がナノポストNPを通過する直前の位相に係わる相対的な位相値を意味する。 The shape, size, and/or arrangement of the nanoposts NPs can be determined to satisfy all of these conditions, and such a color separation lens array 130 can be configured so that light immediately after passing through it has the following target phase distribution: The phase of the light of the first wavelength at a position immediately after passing through the color separation lens array 130, in other words, at the lower surface of the color separation lens array 130 or the upper surface of the spacer layer 120, is 2Nπ at the center of the first region 131 corresponding to the first photosensitive cell 111 and at the center of the fourth region 134 corresponding to the fourth photosensitive cell 114, and also has a distribution exhibiting a phase of (2N-1)π at the center of the second region 132 corresponding to the second photosensitive cell 112 and at the center of the third region 133 corresponding to the third photosensitive cell 113. Here, N is an integer greater than 0. In other words, immediately after passing through the color separation lens array 130, the phase of the first wavelength light is maximum at the center of the first region 131 and the center of the fourth region 134, and gradually decreases concentrically with increasing distance from the center of the first region 131 and the center of the fourth region 134, reaching minimums at the centers of the second region 132 and the third region 133. For example, when N = 1, the phase of green light after passing through the color separation lens array 130 is 2π at the center of the first region 131 and the center of the fourth region 134, and is also π at the center of the second region 132 and the center of the third region 133. Here, the phase refers to a relative phase value related to the phase of the light immediately before passing through the nanopost NP.
また、色分離レンズアレイ130を通過した直後の位置において、第2波長の光の位相は、第2光感知セル112に対応する第2領域132の中心部において、2Mπであり、第1光感知セル111に対応する第1領域131の中心部、第4光感知セル114に対応する第4領域134の中心部においては、(2M-1)πであり、第3光感知セル113に対応する第3領域133の中心部においては、(2M-2)πより大きく、(2M-1)πより小さくなる分布でもある。ここで、Mは、0より大きい整数である。言い換えれば、色分離レンズアレイ130を透過した直後の位置において、第2波長の光の位相は、第2領域132の中心部において最大になり、第2領域132の中心部から遠くなるほど、同心円状にだんだんと小さくなり、第1領域131、第4領域134及び第3領域133の中心部において、局所的に最小になる。例えば、M=1である場合、色分離レンズアレイ130を透過した位置で青色光の位相は、第2領域132の中心部において、2πであり、第1領域131の中心部と、第4領域134の中心部とにおいて、πであり、第3領域133の中心部において、約0.2πないし0.7πにもなる。 Furthermore, immediately after passing through the color separation lens array 130, the phase of the light of the second wavelength is 2Mπ at the center of the second region 132 corresponding to the second photosensitive cell 112, is (2M-1)π at the center of the first region 131 corresponding to the first photosensitive cell 111 and at the center of the fourth region 134 corresponding to the fourth photosensitive cell 114, and is greater than (2M-2)π and smaller than (2M-1)π at the center of the third region 133 corresponding to the third photosensitive cell 113. Here, M is an integer greater than 0. In other words, immediately after passing through the color separation lens array 130, the phase of the light of the second wavelength is maximum at the center of the second region 132, and gradually decreases concentrically with increasing distance from the center of the second region 132, reaching local minimums at the centers of the first region 131, the fourth region 134, and the third region 133. For example, when M = 1, the phase of blue light at the position where it has passed through the color separation lens array 130 is 2π at the center of the second region 132, π at the center of the first region 131 and the center of the fourth region 134, and approximately 0.2π to 0.7π at the center of the third region 133.
また同様に、色分離レンズアレイ130を通過した直後の位置において、第3波長の光の位相は、第3光感知セル113に対応する第3領域133の中心部において、2Lπであり、第1光感知セル111に対応する第1領域131、第4光感知セル114に対応する第4領域134の中心部においては、(2L-1)πであり、第2光感知セル112に対応する第2領域132の中心部においては、(2L-2)πより大きく、(2L-1)πより小さくもなる。ここで、Lは、0より大きい整数である。言い換えれば、色分離レンズアレイ130を透過した直後の位置において、第3波長の光の位相は、第3領域133の中心部で最大になり、第3領域133の中心部から遠くなるほど、同心円状にだんだんと小さくなり、第1領域131、第4領域134及び第2領域132の中心部において、局所的に最小になる。例えば、L=1である場合、色分離レンズアレイ130を透過した位置において、赤色光の位相は、第3領域133の中心部において、2πであり、第1領域131の中心部と、第4領域134の中心部とにおいて、πであり、第2領域132の中心部において、約0.2πないし0.7πにもなる。 Similarly, immediately after passing through the color separation lens array 130, the phase of the light of the third wavelength is 2Lπ at the center of the third region 133 corresponding to the third photosensitive cell 113, is (2L-1)π at the centers of the first region 131 corresponding to the first photosensitive cell 111 and the fourth region 134 corresponding to the fourth photosensitive cell 114, and is greater than (2L-2)π and smaller than (2L-1)π at the center of the second region 132 corresponding to the second photosensitive cell 112. Here, L is an integer greater than 0. In other words, immediately after passing through the color separation lens array 130, the phase of the light of the third wavelength is maximum at the center of the third region 133, and gradually decreases concentrically with increasing distance from the center of the third region 133, reaching local minimums at the centers of the first region 131, the fourth region 134, and the second region 132. For example, when L = 1, the phase of red light at the position where it has passed through the color separation lens array 130 is 2π at the center of the third region 133, π at the center of the first region 131 and the center of the fourth region 134, and approximately 0.2π to 0.7π at the center of the second region 132.
前述のように、ターゲット位相分布は、色分離レンズアレイ130を透過した直後の位置における光の位相分布を意味する。色分離レンズアレイ130を通過した光がそのような位相分布を有せば、第1波長ないし第4波長の光が、それぞれ第1光感知セル111、第2光感知セル112、第3光感知セル113及び第4光感知セル114に集まることになる。言い換えれば、色分離レンズアレイ130を透過した光は、波長によって分岐され、それぞれ互いに異なる方向に進んで集光されるところと同一の光学的効果を得ることができる。 As mentioned above, the target phase distribution refers to the phase distribution of light at a position immediately after it has passed through the color separation lens array 130. If the light that has passed through the color separation lens array 130 has such a phase distribution, the light of the first to fourth wavelengths will be focused on the first photosensitive cell 111, the second photosensitive cell 112, the third photosensitive cell 113, and the fourth photosensitive cell 114, respectively. In other words, the light that has passed through the color separation lens array 130 can be split into light beams according to wavelength, each beam traveling in a different direction and then being focused, thereby achieving the same optical effect.
そのように、当該波長の光が、当該光感知セルに集光されるように、所定伝播距離要件が定められ、それにより、スペーサ層120の厚みhが定められうる。スペーサ層120の厚みhは、分岐対象である波長λや、画素サイズ及び光感知セルの配置周期pによっても異なる。スペーサ層120の厚みhは、分岐対象である可視光線波長帯域の中心波長λよりも大きくもなり、隣接する光感知セル中心間の距離である光感知セル配置周期pと比較すれば、1p~3pの範囲でもある。具体的には、スペーサ層120の厚みhは、500nmないし5μmの範囲でもある。スペーサ層120の厚みhを設定するさらに細部的な事項については、図10Aないし図10E、図11Aないし図11E、及び図12Aないし図12Eを参照してさらに後述する。 In this way, a predetermined propagation distance requirement is set so that light of that wavelength can be focused onto that photosensitive cell, and the thickness h of the spacer layer 120 can be determined accordingly. The thickness h of the spacer layer 120 also depends on the wavelength λ to be split, the pixel size, and the arrangement pitch p of the photosensitive cells. The thickness h of the spacer layer 120 can be larger than the central wavelength λ of the visible light wavelength band to be split, and can be in the range of 1p to 3p compared to the arrangement pitch p of the photosensitive cells, which is the distance between the centers of adjacent photosensitive cells. Specifically, the thickness h of the spacer layer 120 can be in the range of 500 nm to 5 μm. Further details on setting the thickness h of the spacer layer 120 will be described later with reference to FIGS. 10A to 10E, 11A to 11E, and 12A to 12E.
図6A及び図6Bは、色分離レンズアレイを通過した青色光の位相分布形態、及び色分離レンズアレイに対向する光感知セルにおける青色光のフォーカシング分布を電算模写した図面であり、図6Cは、青色画素Bに対応する色分離レンズアレイの第2領域と、その周辺に入射した青色光の進行方向とを例示的に示し、図6Dは、青色光に対し、色分離レンズアレイと等価的に作用するマイクロレンズアレイを例示的に示す。 Figures 6A and 6B are computer-generated images of the phase distribution of blue light passing through a color separation lens array and the focusing distribution of blue light in a photosensitive cell facing the color separation lens array. Figure 6C shows an example of a second region of the color separation lens array corresponding to blue pixel B and the direction of travel of blue light incident on its periphery. Figure 6D shows an example of a microlens array that acts equivalently to the color separation lens array with respect to blue light.
図6Aに例示された位相分布について説明すれば、青色画素Bに対応する領域の中心部における位相は、大体のところ2πであり、隣接した緑色画素Gに対応する領域の中心部における位相は、大体のところπの値を示し、対角線方向の赤色画素Rに対応する領域の中心部における位相は、大体のところπより小さい値(例えば、約0.2πないし0.7π)を示す。 Regarding the phase distribution illustrated in Figure 6A, the phase at the center of the region corresponding to the blue pixel B is approximately 2π, the phase at the center of the region corresponding to the adjacent green pixel G exhibits a value of approximately π, and the phase at the center of the region corresponding to the diagonal red pixel R exhibits a value smaller than π (e.g., approximately 0.2π to 0.7π).
そのような位相分布は、図6Bのような青色光のフォーカシング分布を示すことができる。青色光は、青色画素Bに対応する領域にほとんど集光され、他の画素に対応する領域には、青色光がほとんど達しない。 Such a phase distribution can exhibit a focusing distribution of blue light as shown in Figure 6B. Blue light is mostly focused in the area corresponding to blue pixel B, and almost no blue light reaches the areas corresponding to other pixels.
結果として、青色画素Bに対応する第2領域132と、その周辺とに入射した青色光は、色分離レンズアレイ130を透過した後、図6Cに図示されているように進むことになる。例えば、色分離レンズアレイ130の第2領域132と、第2領域132を取り囲む他の領域との一部に入射する入射光のうち、青色光は、第2領域132直下部の第2光感知セル112上に集光される。言い換えれば、1つの青色画素Bには、その青色画素Bに対応する第2領域132から来る青色光、第2領域132と横方向に隣接する2個の第1領域131から来る青色光、第2領域132と縦方向に隣接する2個の第4領域134から来る青色光、及び第2領域132と対角方向に隣接する4個の第3領域133から来る青色光が入射する。 As a result, blue light incident on the second region 132 corresponding to the blue pixel B and its surrounding area passes through the color separation lens array 130 and then travels as shown in FIG. 6C . For example, of the incident light that is incident on the second region 132 of the color separation lens array 130 and part of the other regions surrounding the second region 132, the blue light is focused on the second photosensitive cell 112 immediately below the second region 132. In other words, incident on one blue pixel B are blue light from the second region 132 corresponding to that blue pixel B, blue light from two first regions 131 horizontally adjacent to the second region 132, blue light from two fourth regions 134 vertically adjacent to the second region 132, and blue light from four third regions 133 diagonally adjacent to the second region 132.
従って、図6Dに図示されているように、色分離レンズアレイ130は、青色光については、第2光感知セル112を中心に配列された複数のマイクロレンズML1アレイと等価的な役割が行うことができる。それぞれの等価的なマイクロレンズML1は、それに対応する第2光感知セル112より大きいために、第2光感知セル112の領域に入射する青色光だけではなく、第2光感知セル112を取り囲む他の領域に入射する青色光も、第2光感知セル112に集光させることができる。例えば、それぞれのマイクロレンズML1は、それに対応する第2光感知セル112より4倍ほど大きく、それぞれのマイクロレンズML1の四辺は、第2光感知セル112の四辺とも平行である。 As shown in FIG. 6D , the color separation lens array 130 can perform a function equivalent to that of an array of multiple microlenses ML1 arranged around the second photosensitive cells 112 with respect to blue light. Each equivalent microlens ML1 is larger than its corresponding second photosensitive cell 112, so that it can focus not only the blue light incident on the region of the second photosensitive cell 112 but also the blue light incident on other regions surrounding the second photosensitive cell 112 onto the second photosensitive cell 112. For example, each microlens ML1 is about four times larger than the corresponding second photosensitive cell 112, and the four sides of each microlens ML1 are parallel to the four sides of the second photosensitive cell 112.
図7A及び図7Bは、色分離レンズアレイを通過した緑色光の位相分布形態、及び色分離レンズアレイに対向する光感知セルにおける緑色光のフォーカシング分布を電算模写した図面であり、図7Cは、緑色画素に対応する色分離レンズアレイの第1領域及び第4領域と、その周辺に入射した緑色光の進行方向とを例示的に示し、図7Dは、緑色光に対し、色分離レンズアレイと等価的に作用するマイクロレンズアレイを例示的に示す。 Figures 7A and 7B are computer-generated images of the phase distribution of green light passing through a color separation lens array and the focusing distribution of green light in photosensitive cells facing the color separation lens array. Figure 7C shows an example of the first and fourth regions of the color separation lens array corresponding to green pixels and the direction of travel of green light incident on their peripheries. Figure 7D shows an example of a microlens array that functions equivalently to the color separation lens array with respect to green light.
図7Aに例示された位相分布について説明すれば、緑色画素Gに対応する領域の中心部における位相は、大体のところ2πであり、隣接した青色画素Bと赤色画素Rとに対応する領域の中心部における位相は、大体のところπの値を示す。 Referring to the phase distribution illustrated in Figure 7A, the phase at the center of the region corresponding to the green pixel G is approximately 2π, while the phase at the center of the regions corresponding to the adjacent blue pixel B and red pixel R exhibits a value of approximately π.
そのような位相分布は、図7Bのような緑色光のフォーカシング分布を示すことができる。緑色光は、2つの緑色画素Gに対応する領域に分けられて集光され、他の画素に対応する領域には、緑色光がほとんど達しない。 Such a phase distribution can exhibit a focusing distribution of green light as shown in Figure 7B. The green light is divided and focused in areas corresponding to two green pixels G, with very little green light reaching areas corresponding to other pixels.
結果として、緑色画素Gに対応する第1領域131及び第4領域134と、その周辺とに入射した緑色光は、色分離レンズアレイ130を透過した後、図7Cに図示されているように進むことになる。例えば、色分離レンズアレイ130の第1領域131、及び第1領域131を取り囲む他の領域の一部に入射する入射光のうち、緑色光は、第1領域131直下部の第1光感知セル111上に集光される。言い換えれば、1つの緑色画素Gには、その緑色画素Gに対応する第1領域131または第4領域134から来る緑色光、第1領域131または第4領域134と横方向及び縦方向に隣接する2個の第2領域132と、2個の第3領域133とから来る緑色光が入射する。 As a result, the green light incident on the first region 131 and fourth region 134 corresponding to the green pixel G and their surroundings passes through the color separation lens array 130 and then travels as shown in FIG. 7C . For example, of the incident light that is incident on the first region 131 of the color separation lens array 130 and parts of the other regions surrounding the first region 131, the green light is focused on the first photosensitive cell 111 immediately below the first region 131. In other words, the green light incident on one green pixel G comes from the first region 131 or fourth region 134 corresponding to that green pixel G, and from two second regions 132 and two third regions 133 that are horizontally and vertically adjacent to the first region 131 or fourth region 134.
従って、図7Dに図示されているように、色分離レンズアレイ130は、緑色光については、第1光感知セル111と第4光感知セル114とを中心に配列された複数のマイクロレンズML2アレイと等価的な役割が行うことができる。それぞれの等価的なマイクロレンズML2は、それに対応する第1光感知セル111やm第4光感知セル114より大きいために、第1光感知セル111と第4光感知セル114との領域に入射する緑色光だけではなく、第1光感知セル111と第4光感知セル114とを取り囲む他の領域に入射する緑色光も、第1光感知セル111と第4光感知セル114とに集光させることができる。例えば、それぞれのマイクロレンズML2は、それに対応する第1光感知セル111または第4光感知セル114より2倍ほど大きく、それに対応する第1光感知セル111と第4光感知セル114とに対し、対角線方向に隣接するようにも配置される。 7D , for green light, the color separation lens array 130 can function equivalently to an array of microlenses ML2 arranged around the first and fourth photosensitive cells 111 and 114. Each equivalent microlens ML2 is larger than the corresponding first and fourth photosensitive cells 111 and 114, respectively, and can therefore focus not only the green light incident on the regions of the first and fourth photosensitive cells 111 and 114 but also the green light incident on other regions surrounding the first and fourth photosensitive cells 111 and 114 onto the first and fourth photosensitive cells 111 and 114. For example, each microlens ML2 is twice as large as the corresponding first or fourth photosensitive cell 111 or 114, and is disposed diagonally adjacent to the corresponding first or fourth photosensitive cell 111 or 114.
図8A及び図8Bは、色分離レンズアレイを通過した赤色光の位相分布形態、及び色分離レンズアレイに対向する光感知セルにおける赤色光のフォーカシング分布を電算模写した図面であり、図8Cは、赤色画素に対応する色分離レンズアレイの第3領域と、その周辺に入射した赤色光の進行方向とを例示的に示し、図8Dは、赤色画素Rに対し、色分離レンズアレイと等価的に作用するマイクロレンズアレイを例示的に示す。 Figures 8A and 8B are computer-generated images of the phase distribution of red light passing through a color separation lens array and the focusing distribution of red light in photosensitive cells facing the color separation lens array. Figure 8C shows an example of a third region of the color separation lens array corresponding to a red pixel and the direction of travel of red light incident on its periphery. Figure 8D shows an example of a microlens array that functions equivalently to the color separation lens array with respect to the red pixel R.
図8Aに例示された位相分布について説明すれば、赤色画素Rに対応する領域の中心部における位相は、大体のところ2πであり、隣接した緑色画素Gに対応する領域の中心部における位相は、大体のところπの値を示し、対角線方向の青色画素Bに対応する領域の中心部における位相は、大体のところπより小さい値(例えば、約0.2πないし0.7π)を示す。 Explaining the phase distribution illustrated in Figure 8A, the phase at the center of the region corresponding to the red pixel R is approximately 2π, the phase at the center of the region corresponding to the adjacent green pixel G exhibits a value of approximately π, and the phase at the center of the region corresponding to the diagonally opposite blue pixel B exhibits a value smaller than π (e.g., approximately 0.2π to 0.7π).
そのような位相分布は、図8Bのような赤色光のフォーカシング分布を示すことができる。赤色光は、赤色画素Rに対応する領域に集光されており、他の画素に対応する領域には、赤色光がほとんど達しない。 Such a phase distribution can exhibit a focusing distribution of red light as shown in Figure 8B. Red light is focused in the area corresponding to the red pixel R, and very little red light reaches the areas corresponding to other pixels.
結果として、赤色画素Rに対応する第3領域133と、その周辺とに入射した光は、色分離レンズアレイ130を透過した後、図8Cに図示されているように進むことになる。例えば、色分離レンズアレイ130の第3領域133と、第3領域133を取り囲む他の領域の一部とに入射する入射光のうち、赤色光は、第3領域133直下部の第3光感知セル113上に集光される。言い換えれば、1つの赤色画素Rには、その赤色画素Rに対応する第3領域133から来る赤色光、第3領域133と横方向に隣接する2個の第4領域134から来る赤色光、第3領域133と縦方向に隣接する2個の第1領域131から来る赤色光、及び第3領域133と対角線方向に隣接する4個の第2領域132から来る赤色光が入射する。 As a result, light incident on the third region 133 corresponding to the red pixel R and its surrounding area passes through the color separation lens array 130 and then travels as shown in FIG. 8C . For example, of the incident light that is incident on the third region 133 of the color separation lens array 130 and on parts of the other regions surrounding the third region 133, red light is focused on the third photosensitive cell 113 immediately below the third region 133. In other words, incident on one red pixel R are the red light from the third region 133 corresponding to that red pixel R, the red light from two fourth regions 134 that are horizontally adjacent to the third region 133, the red light from two first regions 131 that are vertically adjacent to the third region 133, and the red light from four second regions 132 that are diagonally adjacent to the third region 133.
従って、図8Dに図示されているように、色分離レンズアレイ130は、赤色光については、第3光感知セル113を中心に配列された複数のマイクロレンズML3アレイと等価的な役割が行うことができる。それぞれの等価的なマイクロレンズML3は、それに対応する第3光感知セル113より大きいために、第3光感知セル113の領域に入射する赤色光だけではなく、第3光感知セル113を取り囲む他の領域に入射する赤色光も、第3光感知セル113に集光させることができる。例えば、それぞれのマイクロレンズML3は、それに対応する第3光感知セル113より4倍ほど大きく、それぞれのマイクロレンズML3の四辺は、第3光感知セル113の四辺とも平行である。 As shown in FIG. 8D , the color separation lens array 130 can perform a function equivalent to that of an array of multiple microlenses ML3 arranged around the third photosensitive cells 113, with respect to red light. Each equivalent microlens ML3 is larger than its corresponding third photosensitive cell 113, so that it can focus not only the red light incident on the region of the third photosensitive cell 113 but also the red light incident on other regions surrounding the third photosensitive cell 113 onto the third photosensitive cell 113. For example, each microlens ML3 is about four times larger than the corresponding third photosensitive cell 113, and the four sides of each microlens ML3 are parallel to the four sides of the third photosensitive cell 113.
図6C、図7C、図8Cにおいて説明された青色光、緑色光、赤色光の経路は、各領域別に入射する光が、カラー別に分岐される形態であり、次のようにも説明される。 The paths of blue light, green light, and red light described in Figures 6C, 7C, and 8C are forms in which light incident on each region is split according to color, and can also be described as follows:
図9Aは、青色画素に対応する領域に入射した光のカラー別進行方向を例示的に示す。図9Aを参照すれば、青色画素Bに対応する第2領域132に入射する光Liのうち青色光LBは、第2領域132直下部の第2光感知セル112に向けて進む。第2領域132に入射する入射光Liのうち緑色光LGは、第2光感知セル112と横方向に隣接した2つの第1光感知セル111、及び第2光感知セル112と縦方向に隣接した2つの第4光感知セル114にほとんど進む。入射光Liのうち赤色光LRは、第2光感知セル112と対角方向に隣接した4つの第3光感知セル113にほとんど進む。 9A exemplarily illustrates the traveling directions of light beams incident on a region corresponding to a blue pixel. Referring to FIG. 9A , among light beams Li incident on the second region 132 corresponding to a blue pixel B, blue light beams Li B travel toward the second photosensitive cell 112 located immediately below the second region 132. Among light beams Li incident on the second region 132, green light beams Li G travel mostly toward two first photosensitive cells 111 horizontally adjacent to the second photosensitive cell 112 and two fourth photosensitive cells 114 vertically adjacent to the second photosensitive cell 112. Among light beams Li , red light beams Li R travel mostly toward four third photosensitive cells 113 diagonally adjacent to the second photosensitive cell 112.
図9Bは、緑色画素に対応する領域に入射した光のカラー別進行方向を例示的に示す。図9Bを参照すれば、緑色画素Gに対応する第1領域131に入射する光Liのうち緑色光LGは、第1領域131直下部の第1光感知セル111に向けて進む。第1領域131に入射した光Liのうち青色光LBは、第1光感知セル111と横方向に隣接した2つの第2光感知セル112に進み、赤色光LRは、第1光感知セル111と縦方向に隣接した2つの第3光感知セル113に向けてほとんど進む。 9B exemplarily illustrates the traveling directions of light beams incident on a region corresponding to a green pixel G. Referring to FIG. 9B, among the light beams L i incident on the first region 131 corresponding to the green pixel G, green light beams L G travel toward the first photosensitive cell 111 located immediately below the first region 131. Among the light beams L i incident on the first region 131, blue light beams L B travel toward two second photosensitive cells 112 adjacent to the first photosensitive cell 111 in the horizontal direction, and red light beams L R travel toward two third photosensitive cells 113 adjacent to the first photosensitive cell 111 in the vertical direction.
図9Cは、赤色画素に対応する領域に入射した光の進行方向を例示的に示す。赤色画素Rに対応する第3領域133に入射した光Liのうち赤色光LRは、第3領域133直下部の第3光感知セル113に向けて進む。第3領域133に入射する入射光Liのうち緑色光LGは、第3光感知セル113と縦方向に隣接した2つの第1光感知セル111、第3光感知セル113と横方向に隣接した2つの第4光感知セル114に向けて進む。入射光Liのうち青色光LBは、ほとんど第3光感知セル113と対角方向に隣接した4つの第2光感知セル112に向けて進む。 9C exemplarily illustrates the traveling directions of light incident on a region corresponding to a red pixel. Of the light Li incident on the third region 133 corresponding to the red pixel R, red light L R travels toward the third photosensitive cell 113 located immediately below the third region 133. Of the incident light Li incident on the third region 133, green light L G travels toward two first photosensitive cells 111 vertically adjacent to the third photosensitive cell 113 and two fourth photosensitive cells 114 horizontally adjacent to the third photosensitive cell 113. Of the incident light Li , blue light L B travels mostly toward four second photosensitive cells 112 diagonally adjacent to the third photosensitive cell 113.
そのような色分離と集光は、スペーサ層120の厚みを適切に設定し、さらに効果的になされうる。例えば、スペーサ層120の理論厚htは、λ0の波長に係わるスペーサ層120の屈折率をn、光感知セルのピッチをpとするとき、次の数式1を満足することができる。 Such color separation and light collection can be achieved more effectively by appropriately setting the thickness of the spacer layer 120. For example, the theoretical thickness ht of the spacer layer 120 can satisfy the following Equation 1, where n is the refractive index of the spacer layer 120 related to the wavelength λ0 and p is the pitch of the photosensitive cells:
ここで、スペーサ層120の理論厚htは、λ0の波長を有する光が、色分離レンズアレイ130により、光感知セル111、112、113、114の上部表面上に集光される焦点距離を意味する。言い換えれば、λ0の波長を有する光は、色分離レンズアレイ130を経ながら、色分離レンズアレイ130の下部表面からhtほど離れた距離にもフォーカシングされる。 Here, the theoretical thickness ht of the spacer layer 120 means the focal length at which light having a wavelength of λ0 is focused onto the upper surfaces of the photosensitive cells 111, 112, 113, and 114 by the color separation lens array 130. In other words, the light having a wavelength of λ0 is also focused at a distance of ht from the lower surface of the color separation lens array 130 while passing through the color separation lens array 130.
数式1に記載されているように、スペーサ層120の理論厚htは、光感知セル111、112、113、114のピッチpと、スペーサ層120の屈折率nによっても異なる。例えば、可視光線帯域の中心波長λ0を540nm、光感知セル111、112、113、114のピッチpを0.8μm、540nm波長におけるスペーサ層120の屈折率nを1.46と仮定すれば、スペーサ層120の理論厚ht、言い換えれば、色分離レンズアレイ130の下部表面と、センサ基板110の上部表面との最適距離は、約1.64μmでもある。しかし、スペーサ層120の実際厚は、数式1に記載された理論厚htたけに制限される必要はない。例えば、色分離レンズアレイ130の効率を考慮し、数式1の理論厚htを基準に、所定範囲内において、スペーサ層120の実際厚が選択されうる。 As shown in Equation 1, the theoretical thickness ht of the spacer layer 120 also depends on the pitch p of the photosensitive cells 111, 112, 113, and 114 and the refractive index n of the spacer layer 120. For example, assuming that the center wavelength λ0 of the visible light band is 540 nm, the pitch p of the photosensitive cells 111, 112, 113, and 114 is 0.8 μm, and the refractive index n of the spacer layer 120 at a wavelength of 540 nm is 1.46, the theoretical thickness ht of the spacer layer 120, in other words, the optimal distance between the lower surface of the color separation lens array 130 and the upper surface of the sensor substrate 110, is approximately 1.64 μm. However, the actual thickness of the spacer layer 120 does not need to be limited to the theoretical thickness ht shown in Equation 1. For example, the actual thickness of the spacer layer 120 may be selected within a predetermined range based on the theoretical thickness ht of Equation 1, taking into account the efficiency of the color separation lens array 130.
図10Aないし図10Eは、光感知セル111、112、113、114のピッチが0.7μmである場合、色分離レンズアレイ130とセンサ基板110との距離による色分離レンズアレイ130の効率変化を例示的に示すグラフである。図10Aは、色分離レンズアレイ130の単位パターンアレイを構成する第1領域131ないし第4領域134から第2光感知セル112に入射する青色光に係わる色分離レンズアレイ130の集光効率を示し、図10Bは、単位パターンアレイを構成する第1領域131ないし第4領域134から、第1光感知セル111と第4光感知セル114とに入射する緑色光に係わる色分離レンズアレイ130の集光効率を示し、図10Cは、単位パターンアレイを構成する第1領域131ないし第4領域134から第3光感知セル113に入射する赤色光に係わる色分離レンズアレイ130の集光効率を示す。 Figures 10A to 10E are graphs illustrating exemplary changes in the efficiency of the color separation lens array 130 depending on the distance between the color separation lens array 130 and the sensor substrate 110 when the pitch of the photosensitive cells 111, 112, 113, and 114 is 0.7 μm. FIG. 10A shows the light-collecting efficiency of the color separation lens array 130 with respect to blue light incident on the second photosensitive cell 112 from the first region 131 to the fourth region 134 constituting the unit pattern array of the color separation lens array 130. FIG. 10B shows the light-collecting efficiency of the color separation lens array 130 with respect to green light incident on the first photosensitive cell 111 and the fourth photosensitive cell 114 from the first region 131 to the fourth region 134 constituting the unit pattern array. FIG. 10C shows the light-collecting efficiency of the color separation lens array 130 with respect to red light incident on the third photosensitive cell 113 from the first region 131 to the fourth region 134 constituting the unit pattern array.
図10A及び図10Cの場合、1つの光感知セルに対し、4個の領域が配置されるので、理論上最大値が4である。図10Bの場合には、2個の光感知セルに対し、4個の領域が配置されるので、理論上最大値が2である。図10Aないし図10Cのグラフにおいて、色分離レンズアレイ130の集光効率が最も高い距離が、数式1を満足する理論厚htになる。図10Aないし図10Cに図示されているように、理論厚htは、波長によって少しずつ異なる。 10A and 10C, four regions are arranged for one photosensitive cell, so the theoretical maximum value is 4. In the case of Fig. 10B, four regions are arranged for two photosensitive cells, so the theoretical maximum value is 2. In the graphs of Fig. 10A to 10C, the distance at which the light collection efficiency of the color separation lens array 130 is highest is the theoretical thickness ht that satisfies Equation 1. As shown in Fig. 10A to 10C, the theoretical thickness ht varies slightly depending on the wavelength.
図10Dは、可視光線に対する肉眼の敏感度特性を考慮した色分離レンズアレイの効率変化を例示的に示すグラフである。例えば、肉眼は、一般的に、緑色光に対して敏感度が最も高く、青色光に対して敏感度が最も低い。従って、図10Aのグラフに最も低い加重値を付与し、図10Cのグラフに、青色光より高い加重値を付与し、図10Bに最も高い加重値を付与した後で合算した値を平均することにより、図10Dのグラフを得ることができる。図10Eは、図10Dのグラフを規準化した結果を示すグラフである。 Figure 10D is a graph showing an example of the change in efficiency of a color separation lens array taking into account the sensitivity characteristics of the human eye to visible light. For example, the human eye is generally most sensitive to green light and least sensitive to blue light. Therefore, the graph of Figure 10D can be obtained by assigning the lowest weighting to the graph of Figure 10A, a weighting higher than blue light to the graph of Figure 10C, and the highest weighting to Figure 10B, and then averaging the combined values. Figure 10E is a graph showing the results of normalizing the graph of Figure 10D.
図10D及び図10Eのグラフを参照すれば、光感知セル111、112、113、114のピッチが0.7μmである場合、肉眼の敏感度特性を考慮した可視光線全体に係わる色分離レンズアレイ130の効率は、約1.2μmの距離で最も高い。また、色分離レンズアレイ130の効率は、約0.5μmの距離において、最大効率の約80%ほどになり、約1.9μmの距離において、最大効率の約95%ほどになる。 Referring to the graphs of FIGS. 10D and 10E, when the pitch of the photosensitive cells 111, 112, 113, and 114 is 0.7 μm, the efficiency of the color separation lens array 130 with respect to the entire visible light spectrum, taking into account the sensitivity characteristics of the human eye, is highest at a distance of about 1.2 μm. Furthermore, the efficiency of the color separation lens array 130 is approximately 80% of its maximum efficiency at a distance of about 0.5 μm, and approximately 95% of its maximum efficiency at a distance of about 1.9 μm.
図11Aないし図11Eは、光感知セル111、112、113、114のピッチが0.8μmである場合、色分離レンズアレイ130とセンサ基板110との距離による色分離レンズアレイ130の効率変化を例示的に示すグラフである。図11Aないし図11Eを参照すれば、光感知セル111、112、113、114のピッチが0.8μmである場合、肉眼の敏感度特性を考慮した可視光線全体に係わる色分離レンズアレイ130の効率は、約1.64μmの距離で最も高い。また、色分離レンズアレイ130の効率は、約0.8μmの距離において、最大効率の約85%ほどになり、約2.5μmの距離において、最大効率の約93%ほどになる。 11A to 11E are graphs showing an example of how the efficiency of the color separation lens array 130 varies with the distance between the color separation lens array 130 and the sensor substrate 110 when the pitch of the photosensitive cells 111, 112, 113, and 114 is 0.8 μm. Referring to FIGS. 11A to 11E, when the pitch of the photosensitive cells 111, 112, 113, and 114 is 0.8 μm, the efficiency of the color separation lens array 130 with respect to all visible light rays, taking into account the sensitivity characteristics of the human eye, is highest at a distance of about 1.64 μm. In addition, the efficiency of the color separation lens array 130 is approximately 85% of its maximum efficiency at a distance of about 0.8 μm, and approximately 93% of its maximum efficiency at a distance of about 2.5 μm.
図12Aないし図12Eは、光感知セル111、112、113、114のピッチが1.0μmである場合、色分離レンズアレイ130とセンサ基板110との距離による色分離レンズアレイ130の効率変化を例示的に示すグラフである。図12Aないし図12Eを参照すれば、光感知セル111、112、113、114のピッチが1.0μmである場合、肉眼の敏感度特性を考慮した可視光線全体に係わる色分離レンズアレイ130の効率は、約2.6μmの距離で最も高い。また、色分離レンズアレイ130の効率は、約1.6μmの距離において、最大効率の約87%ほどになり、約3.6μmの距離において、最大効率の約94%ほどになる。 12A to 12E are graphs showing an example of how the efficiency of the color separation lens array 130 varies with the distance between the color separation lens array 130 and the sensor substrate 110 when the pitch of the photosensitive cells 111, 112, 113, and 114 is 1.0 μm. Referring to FIGS. 12A to 12E, when the pitch of the photosensitive cells 111, 112, 113, and 114 is 1.0 μm, the efficiency of the color separation lens array 130 with respect to all visible light rays, taking into account the sensitivity characteristics of the human eye, is highest at a distance of about 2.6 μm. Furthermore, the efficiency of the color separation lens array 130 is approximately 87% of its maximum efficiency at a distance of about 1.6 μm, and approximately 94% of its maximum efficiency at a distance of about 3.6 μm.
結果として、スペーサ層120の実際厚hが、数式1の理論厚htに比べ、光感知セル111、112、113、114のピッチpほど大きかったり小さかったりしても、色分離レンズアレイ130は、最大効率の80%以上、90%以上または95%以上の高い効率を有するということが分かる。前述の結果を考慮するとき、スペーサ層120の実際厚hは、ht-p≦h≦ht+pの範囲内においても選択されるのである。 As a result, it can be seen that the color separation lens array 130 has a high efficiency of 80% or more, 90% or more, or 95% or more of the maximum efficiency even if the actual thickness h of the spacer layer 120 is larger or smaller than the theoretical thickness ht of Equation 1 by the pitch p of the photosensitive cells 111, 112, 113, and 114. Considering the above results, the actual thickness h of the spacer layer 120 can also be selected within the range of ht- p ≦h≦ ht +p.
前述の色分離レンズアレイ130は、入射光を吸収したり遮断したりせずに波長別に分岐し、分岐された光を特定領域に集光させることができるために、イメージセンサの光利用効率を向上させることができる。また、色分離レンズアレイ130は、向上した色分離性能を有するために、色分離レンズアレイ130を採用したイメージセンサは、優秀な色純度を有することができる。また、色分離レンズアレイ130を採用したイメージセンサは、イメージセンサで一般的に採択されているベイヤーパターン方式を維持することができ、既存の画素構造と同一イメージ処理アルゴリズムを活用することができる。さらに、色分離レンズアレイ130は、入射光を集光するレンズの役割も行うことができるために、色分離レンズアレイ130を採用したイメージセンサは、光をそれぞれの画素に集光させるための別途のマイクロレンズを必要としない。 The color separation lens array 130 described above splits incident light into wavelengths without absorbing or blocking it, and focuses the split light on specific areas, thereby improving the light utilization efficiency of the image sensor. Furthermore, because the color separation lens array 130 has improved color separation performance, an image sensor employing the color separation lens array 130 can have excellent color purity. Furthermore, an image sensor employing the color separation lens array 130 can maintain the Bayer pattern method commonly adopted in image sensors, and can utilize the same image processing algorithm as the existing pixel structure. Furthermore, because the color separation lens array 130 can also function as a lens that focuses incident light, an image sensor employing the color separation lens array 130 does not require a separate microlens to focus light on each pixel.
図13は、一実施形態による色分離レンズアレイにも採用されるナノポストの例示的な形態を示す斜視図である。図13を参照すれば、ナノポストは、直径D、高さHである円柱形状を有することができる。直径D及び/または高さHのサブ波長の値を有することができ、直径Dは、ナノポストが配置される位置によっても異なる。 Figure 13 is a perspective view showing an exemplary shape of a nanopost that may also be used in a color separation lens array according to one embodiment. Referring to Figure 13, the nanopost may have a cylindrical shape with a diameter D and a height H. The diameter D and/or height H may have sub-wavelength values, and the diameter D may vary depending on the location where the nanopost is disposed.
該ナノポストは、それ以外にも、多様な断面形状を有する柱にも形成される。図14Aないし図14Hは、イメージセンサの色分離レンズアレイ130に採用されうるナノポストの例示的な形状を示す平面図である。 The nanoposts can also be formed into pillars with various cross-sectional shapes. Figures 14A to 14H are plan views showing exemplary shapes of nanoposts that can be used in the color separation lens array 130 of the image sensor.
ナノポストの断面形状は、図14Aのように、外径D、内径Diである円形リング状でもある。リング幅wがサブ波長の値を有することができる。ナノポストの断面形状は、図14Bのように、第1方向(X方向)と第2方向(Y方向)との長軸長Dxと短軸長Dyとが互いに異なる楕円形状でもある。そのような形状は、図5Bの実施形態について説明するときに言及したように、緑色画素に対応する第1領域131及び第4領域134にも採用される。 The cross-sectional shape of the nanopost can be a circular ring shape with an outer diameter D and an inner diameter Di, as shown in Figure 14A. The ring width w can have a sub-wavelength value. The cross-sectional shape of the nanopost can be an ellipse shape with different major axis lengths Dx and minor axis lengths Dy in the first direction (X direction) and second direction (Y direction), as shown in Figure 14B. Such a shape is also adopted for the first region 131 and fourth region 134 corresponding to the green pixel, as mentioned when describing the embodiment of Figure 5B.
さらには、ナノポストの断面形状は、図14C、図14D、図14Fに図示されているように、正方形状、正方形リング状または十字形状、または、図14E、図14Gに図示されているように、第1方向(X方向)と第2方向(Y方向)との長さ、Dx、Dyが互いに異なる長方形状または十字形状でもある。そのような長方形または十字形状は、図5Bの実施形態について説明するときに言及したように、緑色画素に対応する第1領域131と第4領域134とにも採用される。 Furthermore, the cross-sectional shape of the nanopost can be a square, a square ring, or a cross, as shown in Figures 14C, 14D, and 14F, or a rectangular or cross shape with different lengths Dx and Dy in the first direction (X direction) and the second direction (Y direction), as shown in Figures 14E and 14G. Such rectangular or cross shapes are also used for the first region 131 and the fourth region 134 corresponding to the green pixel, as mentioned when describing the embodiment of Figure 5B.
さらに他の例として、ナノポストの断面形状は、図14Hに図示されているように、複数の凹状円弧を有する形状でもある。 As yet another example, the cross-sectional shape of the nanopost may have multiple concave arcs, as shown in Figure 14H.
図15は、他の実施形態による色分離レンズアレイをなすナノポストの配列形態を例示的に示す平面図である。 Figure 15 is a plan view illustrating an exemplary arrangement of nanoposts forming a color separation lens array according to another embodiment.
色分離レンズアレイ140は、図2Aで例示したベイヤーパターンの画素配列と対応する形態であり、緑色画素Gに対応する第1領域141、青色画素Bに対応する第2領域142、赤色画素Rに対応する第3領域143、及び緑色画素Gに対応する第4領域144に四分された領域を含んでもよい。図示されていないが、そのような単位パターンアレイが、第1方向(X方向)及び第2方向(Y方向)に沿って反復しても配列される。各領域は、複数のサブ領域にも等分され、該サブ領域境界の交差点に、ナノポストNPが配置されうる。図15は、サブ領域の個数が9個である例を示しており、9個にサブ領域を区画した格子点上に、ナノポストNPが配置されており、各領域141、142、143、144の真ん中には、ナノポストNPが配置されず、同サイズの4つのナノポストNPが中心部をなす形態である。周辺部のナノポストNPは、他の領域との境界線上に配置される形態である。ナノポストNPは、単位パターンアレイ内の細部位置により、r1~r9に表示されている。 The color separation lens array 140 corresponds to the Bayer pattern pixel array illustrated in FIG. 2A and may include a region divided into four regions: a first region 141 corresponding to a green pixel G, a second region 142 corresponding to a blue pixel B, a third region 143 corresponding to a red pixel R, and a fourth region 144 corresponding to a green pixel G. Although not shown, such unit pattern arrays may be arranged repeatedly along the first direction (X direction) and the second direction (Y direction). Each region may be equally divided into multiple subregions, and nanoposts NPs may be arranged at the intersections of the subregion boundaries. FIG. 15 shows an example with nine subregions, with nanoposts NPs arranged at the lattice points dividing the nine subregions. Each region (141, 142, 143, 144) has no nanopost NPs in the center, but instead has four nanoposts NPs of the same size forming a central area. The peripheral nanoposts NPs are arranged along the boundaries of other regions. The nanoposts NPs are labeled r1 to r9 according to their detailed positions within the unit pattern array.
図15を参照すれば、緑色画素に対応する第1領域141の中心部に配置されたナノポストr1は、周辺部に配置されたナノポストr5、r6、r9より大きい断面積を有し、緑色画素に対応する第4領域144の中心部に配置されたナノポストr4も、周辺部に配置されたナノポストr7、r8、r9より大きい断面積を有する。緑色画素に対応する第1領域141と第4領域144との中心部に配置されたナノポストr1、r4の断面サイズは、青色画素に対応する第2領域142の中心部に配置されたナノポストr2、赤色画素に対応する第3領域143の中心部に配置されたナノポストr3の断面サイズより大きくもなる。青色画素に対応する第2領域142の中心部に配置されたナノポストr2の断面積は、赤色画素に対応する第3領域143の中心部に配置されたナノポストr3の断面積より大きくもなる。 Referring to FIG. 15, nanopost r1 located at the center of first region 141 corresponding to a green pixel has a larger cross-sectional area than nanoposts r5, r6, and r9 located at the periphery, and nanopost r4 located at the center of fourth region 144 corresponding to a green pixel also has a larger cross-sectional area than nanoposts r7, r8, and r9 located at the periphery. The cross-sectional sizes of nanoposts r1 and r4 located at the centers of first region 141 and fourth region 144 corresponding to a green pixel are also larger than the cross-sectional sizes of nanopost r2 located at the center of second region 142 corresponding to a blue pixel and nanopost r3 located at the center of third region 143 corresponding to a red pixel. The cross-sectional area of nanopost r2 located at the center of second region 142 corresponding to a blue pixel is also larger than the cross-sectional area of nanopost r3 located at the center of third region 143 corresponding to a red pixel.
第2領域142と第3領域143とのナノポストNPは、第1方向(X方向)と第2方向(Y方向)とに沿って対称的にも配置され、第1領域141と第4領域144とのナノポストNPは、第1方向(X方向)と第2方向(Y方向)とに沿って非対称的にも配置される。言い換えれば、青色画素と赤色画素とにそれぞれ対応する第2領域142と第3領域143とのナノポストNPは、第1方向(X方向)と第2方向(Y方向)とに沿って同一分布規則を有することができ、緑色画素に対応する第1領域141と第4領域144とのナノポストNPは、第1方向(X方向)と第2方向(Y方向)とに沿って互いに異なる分布規則を有することができる。 The nanoposts NP in the second region 142 and the third region 143 are also arranged symmetrically along the first direction (X direction) and the second direction (Y direction), while the nanoposts NP in the first region 141 and the fourth region 144 are also arranged asymmetrically along the first direction (X direction) and the second direction (Y direction). In other words, the nanoposts NP in the second region 142 and the third region 143, which correspond to blue and red pixels, respectively, can have the same distribution pattern along the first direction (X direction) and the second direction (Y direction), while the nanoposts NP in the first region 141 and the fourth region 144, which correspond to green pixels, can have different distribution patterns along the first direction (X direction) and the second direction (Y direction).
ナノポストNPのうち、第1領域141と、それと第1方向(X方向)に隣接した第2領域142との境界に位置するナノポストr5の断面積と、第1領域141と、それと第2方向(Y方向)に隣接する第3領域143との境界に位置するナノポストr6との断面積は、互いに異なる。また、第4領域144と、それと第1方向(X方向)に隣接した第3領域143との境界に位置するナノポストr7の断面積と、第4領域144と、それと第2方向(Y方向)に隣接する第2領域142との境界に位置するナノポストr8との断面積は、互いに異なる。 Of the nanoposts NP, the cross-sectional area of nanopost r5 located at the boundary between the first region 141 and the second region 142 adjacent to it in the first direction (X direction) is different from the cross-sectional area of nanopost r6 located at the boundary between the first region 141 and the third region 143 adjacent to it in the second direction (Y direction). Furthermore, the cross-sectional area of nanopost r7 located at the boundary between the fourth region 144 and the third region 143 adjacent to it in the first direction (X direction) is different from the cross-sectional area of nanopost r8 located at the boundary between the fourth region 144 and the second region 142 adjacent to it in the second direction (Y direction).
一方、第1領域141と、それと第1方向(X方向)に隣接した第2領域142との境界に位置するナノポストr5の断面積と、第4領域144と、それと第2方向(Y方向)に隣接する第2領域142との境界に位置するナノポストr8との断面積が同一であり、第1領域141と、それと第2方向(Y方向)に隣接した第3領域143との境界に位置するナノポストr6の断面積と、第4領域144と、それと第1方向(X方向)に隣接する第3領域143との境界に位置するナノポストr7との断面積が同一である。 On the other hand, the cross-sectional area of nanopost r5 located at the boundary between the first region 141 and the second region 142 adjacent to it in the first direction (X direction) is the same as the cross-sectional area of nanopost r8 located at the boundary between the fourth region 144 and the second region 142 adjacent to it in the second direction (Y direction), and the cross-sectional area of nanopost r6 located at the boundary between the first region 141 and the third region 143 adjacent to it in the second direction (Y direction) is the same as the cross-sectional area of nanopost r7 located at the boundary between the fourth region 144 and the third region 143 adjacent to it in the first direction (X direction).
一方、第1領域141、第2領域142、第3領域143、第4領域144それぞれのコーナー、すなわち、4つの領域が交差する位置に配置されたナノポストr9は、同じ断面積を有する。 On the other hand, nanopost r9 located at the corners of the first region 141, second region 142, third region 143, and fourth region 144, i.e., at the intersections of the four regions, has the same cross-sectional area.
そのように、青色画素と赤色画素とにそれぞれ対応する第2領域142と第3領域143とにおいては、4回対称の形態でナノポストNPが配列され、緑色画素に対応する第1及び第4領域141、144においては、2回対称の形態でナノポストNPが配列され、第1領域141と第4領域144は、互いに対し、90°回転されている。そのような形態は、後述する図16、図17の実施形態にも、同一に示される。 In this way, in the second region 142 and the third region 143, which correspond to the blue pixel and the red pixel, respectively, the nanoposts NPs are arranged in a four-fold symmetrical form, while in the first and fourth regions 141 and 144, which correspond to the green pixel, the nanoposts NPs are arranged in a two-fold symmetrical form, with the first region 141 and the fourth region 144 rotated 90° relative to each other. Such a form is also shown in the embodiments of Figures 16 and 17, which will be described later.
図16は、さらに他の実施形態による色分離レンズアレイをなすナノポストの配列形態を例示的に示す平面図である。 Figure 16 is a plan view illustrating an exemplary arrangement of nanoposts forming a color separation lens array according to yet another embodiment.
色分離レンズアレイ150は、ベイヤーパターンの画素配列と対応する形態であり、緑色画素に対応する第1領域151、青色画素に対応する第2領域152、赤色画素に対応する第3領域153、及び緑色画素に対応する第4領域154に四分された領域を含んでもよい。各領域は、複数のサブ領域にも等分され、該サブ領域境界の交差点に、ナノポストNPが配置されうる。図16は、サブ領域の個数が16個である例を示すという点において、図15のナノポスト配列と違いがあり、16個にサブ領域を区画した格子点上に、ナノポストNPが配置されており、それぞれの領域151、152、153、154の真ん中に、ナノポストNPが配置される。ナノポストNPは、単位パターンアレイ内の細部位置により、s1~s11と表示されている。 The color separation lens array 150 has a shape corresponding to a Bayer pattern pixel array and may include a region divided into four regions: a first region 151 corresponding to green pixels, a second region 152 corresponding to blue pixels, a third region 153 corresponding to red pixels, and a fourth region 154 corresponding to green pixels. Each region may be equally divided into multiple subregions, and nanoposts NPs may be placed at the intersections of the subregion boundaries. Figure 16 differs from the nanopost array of Figure 15 in that it shows an example with 16 subregions. Nanoposts NPs are placed on lattice points dividing the 16 subregions, with a nanopost NP located in the center of each region 151, 152, 153, and 154. The nanopost NPs are labeled s1 to s11 according to their precise position within the unit pattern array.
図16の実施形態は、緑色画素に対応する第1領域151の真ん中に位置したナノポストs1、第4領域154の真ん中に位置したナノポストs4が、周辺部に位置したナノポストNPより大きい断面積を有するだけではなく、青色画素に対応する第2領域152、及び赤色画素に対応する第3領域153に配置されたナノポストNPより大きい断面積を有することができる。 In the embodiment of FIG. 16, the nanopost s1 located in the center of the first region 151 corresponding to the green pixel and the nanopost s4 located in the center of the fourth region 154 not only have a larger cross-sectional area than the nanoposts NP located on the periphery, but also have a larger cross-sectional area than the nanoposts NP located in the second region 152 corresponding to the blue pixel and the third region 153 corresponding to the red pixel.
第1領域151において、断面積が最大であるナノポストs1が真ん中に配置され、周辺部に行くほど断面積がだんだんと小さくなるナノポストs10、s5、s6が配置される。第4領域154においても、断面積が最大であるナノポストs4が真ん中に配置され、周辺部に行くほど断面積がだんだんと小さくなるナノポストs11、s7、s8が配置される。それと異なり、第2領域152においては、中心部に断面積が同じであるナノポストs2が9個配置され、それより大きい断面積を有するナノポストs5、s8が周辺部に配置される。第3領域153においても、中心部に断面積が同じナノポストs3が9個配置され、それより大きい断面積を有するナノポストs6、s7が周辺部に配置される。第2領域152、第3領域153において、周辺部のナノポストNPは、他の領域との境界線上に配置される形態である。 In the first region 151, nanopost s1, which has the largest cross-sectional area, is located in the center, followed by nanoposts s10, s5, and s6, whose cross-sectional areas gradually decrease toward the periphery. In the fourth region 154, nanopost s4, which has the largest cross-sectional area, is located in the center, followed by nanoposts s11, s7, and s8, whose cross-sectional areas gradually decrease toward the periphery. In contrast, in the second region 152, nine nanoposts s2, each with the same cross-sectional area, are located in the center, followed by nanoposts s5 and s8, each with a larger cross-sectional area, located on the periphery. In the third region 153, nine nanoposts s3, each with the same cross-sectional area, are located in the center, followed by nanoposts s6 and s7, whose cross-sectional areas gradually decrease toward the periphery. In both the second region 152 and the third region 153, the nanoposts NP in the peripheral regions are arranged on the boundary lines with the other regions.
図16の実施形態も、図15の実施形態と同様に、第2領域152と第3領域153とのナノポストNPは、第1方向(X方向)と第2方向(Y方向)とに沿って対称的にも配置され、第1領域151と第4領域154とのナノポストNPは、第1方向(X方向)と第2方向(Y方向)とに沿って非対称的にも配置される。また、第1領域151、第2領域152、第3領域153、第4領域154それぞれのコーナー、すなわち、4つの領域が隣接する位置に配置されたナノポストs9は、同じ断面積を有する。 In the embodiment of Figure 16, as in the embodiment of Figure 15, the nanoposts NP in the second region 152 and the third region 153 are also arranged symmetrically along the first direction (X direction) and the second direction (Y direction), and the nanoposts NP in the first region 151 and the fourth region 154 are also arranged asymmetrically along the first direction (X direction) and the second direction (Y direction). Furthermore, the nanoposts s9 arranged at the corners of the first region 151, the second region 152, the third region 153, and the fourth region 154, i.e., at positions where the four regions are adjacent, have the same cross-sectional area.
図17は、さらに他の実施形態による色分離レンズアレイをなすナノポストの配列形態を例示的に示す平面図である。 Figure 17 is a plan view illustrating an exemplary arrangement of nanoposts forming a color separation lens array according to yet another embodiment.
色分離レンズアレイ160は、ベイヤーパターンの画素配列と対応する形態であり、緑色画素に対応する第1領域161、青色画素に対応する第2領域162、赤色画素に対応する第3領域163、及び緑色画素に対応する第4領域164に四分された領域を含んでもよい。各領域は、複数のサブ領域にも等分され、サブ領域内に、ナノポストNPが配置されうる。色分離レンズアレイ160は、図15と同様に、各領域が9個のサブ領域に区画されるが、ナノポストNPが、サブ領域間の交差点ではない内部に配置される点において違いがある。ナノポストNPは、単位パターンアレイ内の細部位置により、t1~t16と表示されている。 The color separation lens array 160 has a shape corresponding to the pixel arrangement of a Bayer pattern and may include a region divided into four regions: a first region 161 corresponding to green pixels, a second region 162 corresponding to blue pixels, a third region 163 corresponding to red pixels, and a fourth region 164 corresponding to green pixels. Each region may be equally divided into multiple subregions, and nanoposts NPs may be arranged within the subregions. Similar to FIG. 15, the color separation lens array 160 is divided into nine subregions, but differs in that the nanoposts NPs are arranged inside the subregions, not at their intersections. The nanoposts NPs are labeled t1 to t16 according to their precise position within the unit pattern array.
図17の実施形態は、第1領域161の中心部に位置したナノポストt1と、第4領域164の中心部に位置したナノポストt4とが、その周辺部に位置したナノポストNPだけではなく、第2領域162及び第3領域163に配置されたナノポストNPよりも断面大きい。第2領域162の中心部に配置されたナノポストt2の断面積は、第3領域163の中心部に配置されたナノポストt3の断面積より大きくもなる。第2領域162の場合、中心部から、第1方向(X方向)、第2方向(Y方向)に離隔された周辺部に位置するナノポストt6、t10の断面積が、中心部ナノポストt2の断面積よりさらに大きく、それと異なり、中心部から対角線方向に離隔された周辺部に位置したナノポストt14の断面積は、中心部ナノポストt2の断面積より小さい。第3領域163の場合、中心部ナノポストt3の断面積が最も小さく、周辺部のナノポストt7、t11、t15は、いずれも中心部ナノポストt3より大きい断面積を有する。 In the embodiment of FIG. 17, nanopost t1 located at the center of first region 161 and nanopost t4 located at the center of fourth region 164 have larger cross-sectional areas than not only the nanoposts NP located in their peripheral regions but also the nanoposts NP located in the second and third regions 162 and 163. The cross-sectional area of nanopost t2 located at the center of second region 162 is also larger than the cross-sectional area of nanopost t3 located at the center of third region 163. In the case of second region 162, the cross-sectional areas of nanoposts t6 and t10 located in the peripheral regions spaced apart from the center in the first direction (X direction) and the second direction (Y direction) are larger than the cross-sectional area of central nanopost t2. In contrast, the cross-sectional area of nanopost t14 located in the peripheral region spaced apart from the center in the diagonal direction is smaller than the cross-sectional area of central nanopost t2. In the third region 163, the central nanopost t3 has the smallest cross-sectional area, and the peripheral nanoposts t7, t11, and t15 all have larger cross-sectional areas than the central nanopost t3.
第2領域162と第3領域163とのナノポストNPは、第1方向(X方向)と第2方向(Y方向)とに沿って対称的にも配置され、第1領域161と第4領域164とのナノポストNPは、第1方向(X方向)と第2方向(Y方向)とに沿って非対称的にも配置される。言い換えれば、青色画素と赤色画素とにそれぞれ対応する第2領域162と第3領域163とのナノポストNPは、第1方向(X方向)と第2方向(Y方向)とに沿って同一分布規則を示し、緑色画素に対応する第1領域161と第4領域164とのナノポストNPは、第1方向(X方向)と第2方向(Y方向)とに沿って互いに異なる分布規則を示している。 The nanoposts NP in the second region 162 and the third region 163 are arranged symmetrically along the first direction (X direction) and the second direction (Y direction), while the nanoposts NP in the first region 161 and the fourth region 164 are arranged asymmetrically along the first direction (X direction) and the second direction (Y direction). In other words, the nanoposts NP in the second region 162 and the third region 163, which correspond to blue and red pixels, respectively, exhibit the same distribution pattern along the first direction (X direction) and the second direction (Y direction), while the nanoposts NP in the first region 161 and the fourth region 164, which correspond to green pixels, exhibit different distribution patterns along the first direction (X direction) and the second direction (Y direction).
第1領域161において、中心部のナノポストt1と、それと第1方向(X方向)に隣接したナノポストt5、及びそれと第2方向(Y方向)に隣接したナノポストt9は、互いに異なる断面積を有する。第4領域164においても、中心部のナノポストt4と、それと第1方向(X方向)に隣接したナノポストt8、及びそれと第2方向(Y方向)に隣接したナノポストt12が互いに異なる断面積を有する。このとき、第1領域161中心部のナノポストt1と、それと第1方向(X方向)に隣接したナノポストt5は、第4領域164中心部のナノポストt4と、それと第2方向(Y方向)に隣接したナノポストt12とは、同一断面積を有し、第1領域161中心部のナノポストt1と、それと第2方向(Y方向)に隣接したナノポストt9は、第4領域164中心部のナノポストt4と、それと第1方向(X方向)に隣接したナノポストt8とは、同一断面積を有する。第1領域161のコーナーに隣接した位置のナノポストt13、第4領域164のコーナーに隣接した位置のナノポストt16は、同じ断面積を有する。そのように、第1領域161、第4領域164は、互いに対し、90°回転されている。 In the first region 161, the central nanopost t1, the nanopost t5 adjacent to it in the first direction (X direction), and the nanopost t9 adjacent to it in the second direction (Y direction) have different cross-sectional areas. In the fourth region 164, the central nanopost t4, the nanopost t8 adjacent to it in the first direction (X direction), and the nanopost t12 adjacent to it in the second direction (Y direction) also have different cross-sectional areas. In this case, nanopost t1 at the center of first region 161 and nanopost t5 adjacent to it in the first direction (X direction) have the same cross-sectional area, as do nanopost t4 at the center of fourth region 164 and nanopost t12 adjacent to it in the second direction (Y direction). Nanopost t1 at the center of first region 161 and nanopost t9 adjacent to it in the second direction (Y direction) have the same cross-sectional area, as do nanopost t4 at the center of fourth region 164 and nanopost t8 adjacent to it in the first direction (X direction). Nanopost t13 adjacent to the corner of first region 161 and nanopost t16 adjacent to the corner of fourth region 164 have the same cross-sectional area. In this way, first region 161 and fourth region 164 are rotated 90° relative to each other.
第2領域162中心部のナノポストt2と、それと第1方向(X方向)に隣接したナノポストt6、及びそれと第2方向(Y方向)に隣接したナノポストt10は、互いに同じ断面積を有する。第2領域162のコーナーに隣接した位置のナノポストt14も、同じ断面積を有する。 Nanopost t2 at the center of second region 162, nanopost t6 adjacent to it in the first direction (X direction), and nanopost t10 adjacent to it in the second direction (Y direction) all have the same cross-sectional area. Nanopost t14 located adjacent to the corner of second region 162 also has the same cross-sectional area.
第3領域163の場合も、中心部のナノポストt3と、それと第1方向(X方向)に隣接したナノポストt7、及びそれと第2方向(Y方向)に隣接したナノポストt11は、互いに同じ断面積を有する。第3領域163のコーナーに隣接した位置のナノポストt15も、同じ断面積を有する。 In the third region 163, the central nanopost t3, the nanopost t7 adjacent to it in the first direction (X direction), and the nanopost t11 adjacent to it in the second direction (Y direction) all have the same cross-sectional area. Nanopost t15 located adjacent to the corner of the third region 163 also has the same cross-sectional area.
図18は、さらに他の実施形態による色分離レンズアレイをなす複数のナノポストの配列形態を例示的に示す平面図である。 Figure 18 is a plan view illustrating an exemplary arrangement of multiple nanoposts forming a color separation lens array according to yet another embodiment.
図18の色分離レンズアレイ170は、最も単純な構造の実施形態である。緑色画素と対応する第1領域171、青色画素と対応する第2領域172、赤色画素と対応する第3領域173、及び緑色画素と対応する第4領域174にそれぞれ1つのナノポストNPが配置される。第1領域171と第4領域174とに具備されているナノポストNPの断面積が最も大きく、第2領域172に具備されているナノポストNPの断面積は、第1領域171に具備されているナノポストNPの断面積より小さく、第3領域173のナノポストNP断面積が最も小さい。 The color separation lens array 170 of Figure 18 is an embodiment with the simplest structure. One nanopost NP is arranged in each of the first region 171 corresponding to the green pixel, the second region 172 corresponding to the blue pixel, the third region 173 corresponding to the red pixel, and the fourth region 174 corresponding to the green pixel. The cross-sectional areas of the nanopost NPs provided in the first region 171 and the fourth region 174 are the largest, the cross-sectional area of the nanopost NPs provided in the second region 172 is smaller than the cross-sectional area of the nanopost NPs provided in the first region 171, and the cross-sectional area of the nanopost NPs in the third region 173 is the smallest.
図19は、図18の色分離レンズアレイを含むイメージセンサの赤色画素R、緑色画素G、青色画素Bそれぞれに入射する光のスペクトル分布を例示的に示すグラフである。 Figure 19 is a graph showing an example of the spectral distribution of light incident on each of the red pixels R, green pixels G, and blue pixels B of an image sensor including the color separation lens array of Figure 18.
図20A及び図20Bは、他の実施形態による画素アレイの概略的な構造を、それぞれ異なる断面において示す断面図である。画素アレイ1100aは、センサ基板110と色分離レンズアレイ130との間に、カラーフィルタ105がさらに配置された点において、前述の図4A及び図4Bの実施形態と違いがある。カラーフィルタ105は、センサ基板110とスペーサ層120との間にも配置される。 Figures 20A and 20B are cross-sectional views showing the schematic structure of a pixel array according to another embodiment, each taken at a different cross section. The pixel array 1100a differs from the embodiment shown in Figures 4A and 4B in that a color filter 105 is further disposed between the sensor substrate 110 and the color separation lens array 130. The color filter 105 is also disposed between the sensor substrate 110 and the spacer layer 120.
画素アレイ1100aは、色分離レンズアレイ130を保護する透明誘電体層121をさらに含んでもよい。誘電体層121は、隣接したナノポストNP間の空間、及びナノポストNPの上部表面を覆うようにも配置される。誘電体層121は、ナノポストNPの屈折率より低い屈折率を有する物質、例えば、スペーサ層120と同一物質によってもなる。 The pixel array 1100a may further include a transparent dielectric layer 121 that protects the color separation lens array 130. The dielectric layer 121 is also disposed to cover the spaces between adjacent nanopost NPs and the top surfaces of the nanopost NPs. The dielectric layer 121 may be made of a material having a refractive index lower than that of the nanopost NPs, for example, the same material as the spacer layer 120.
カラーフィルタ105は、ベイヤーパターンの画素配列に対応する形態のフィルタ領域を具備する。図20Aに図示されているように、緑色フィルタ領域CF1、青色フィルタ領域CF2が交互に配置され、図20Bに図示されているように、Y方向に離隔された後、行においては、赤色フィルタ領域CF3と緑色フィルタ領域CF1とが交互に配置される。色分離レンズアレイ130が、複数の光感知セル111、112、113、114に、互いに異なる波長の光を分岐して集光させる点において、カラーフィルタ105の構成は、必須な構成要素ではない。ただし、そのように、追加してカラーフィルタ105を具備することにより、色純度が補完され、相当に色分離された光がカラーフィルタ105に入射するので、光損失は、大きくない。 The color filter 105 has filter regions whose shape corresponds to the pixel arrangement of the Bayer pattern. As shown in FIG. 20A, green filter regions CF1 and blue filter regions CF2 are alternately arranged, and as shown in FIG. 20B, red filter regions CF3 and green filter regions CF1 are alternately arranged in rows spaced apart in the Y direction. The color filter 105 is not an essential component, since the color separation lens array 130 splits and focuses light of different wavelengths onto the multiple photosensitive cells 111, 112, 113, and 114. However, the additional color filter 105 complements color purity, and since light that is significantly color-separated enters the color filter 105, light loss is not significant.
図21及び図22は、イメージセンサの赤色画素R、緑色画素G、青色画素Bに入射する光のスペクトル分布を例示的に示すグラフであり、それぞれカラーフィルタが具備されている実施形態と、カラーフィルタが具備されていない実施形態のスペトル分布を示す。 Figures 21 and 22 are graphs showing exemplary spectral distributions of light incident on the red pixel R, green pixel G, and blue pixel B of the image sensor, respectively showing the spectral distributions of an embodiment with a color filter and an embodiment without a color filter.
図21のグラフは、図20A及び図20Bに図示されたカラーフィルタを具備したイメージセンサのスペクトルであり、図22のグラフは、図4A及び図4Bに図示されたカラーフィルタがないイメージセンサのスペクトルである。図21及び図22は、画素の幅が約0.7μmであるイメージセンサのシミュレーション結果であり、カラーフィルタが具備されている場合、全体的な光量が低くなる傾向があるが、いずれも良好な色分離性能を示している。 The graph in Figure 21 shows the spectrum of an image sensor equipped with the color filters shown in Figures 20A and 20B, and the graph in Figure 22 shows the spectrum of an image sensor without the color filters shown in Figures 4A and 4B. Figures 21 and 22 are simulation results for an image sensor with a pixel width of approximately 0.7 μm. When color filters are provided, the overall amount of light tends to be lower, but both show good color separation performance.
図23は、他の実施形態による色分離レンズアレイを例示的に示す平面図である。図23を参照すれば、色分離レンズアレイ340は、太い線によって表示された多数の単位パターンアレイを含んでもよい。それぞれの単位パターンアレイは、第1領域341、第2領域342、第3領域343及び第4領域344を含む2×2の二次元形態にも配列される。色分離レンズアレイ340の全体構成を見るとき、1行内において、第1領域341と第2領域342とが横方向に沿って交互に配列され、他の行内において、第3領域343と第4領域344とが横方向に沿って交互に配列される。また、1列(column)内において、第1領域341と第3領域343とが縦方向に沿って交互に配列され、他の列内において、多数の第2領域342と、多数の第4領域344とが縦方向に沿って交互に配列される。 FIG. 23 is a plan view illustrating an example of a color separation lens array according to another embodiment. Referring to FIG. 23, the color separation lens array 340 may include a number of unit pattern arrays indicated by thick lines. Each unit pattern array is also arranged in a 2x2 two-dimensional form including a first region 341, a second region 342, a third region 343, and a fourth region 344. Looking at the overall configuration of the color separation lens array 340, the first regions 341 and the second regions 342 are alternately arranged in the horizontal direction within one row, and the third regions 343 and the fourth regions 344 are alternately arranged in the horizontal direction within another row. Furthermore, the first regions 341 and the third regions 343 are alternately arranged in the vertical direction within one column, and a number of second regions 342 and a number of fourth regions 344 are alternately arranged in the vertical direction within another column.
また、色分離レンズアレイ340は、いかなる単位パターンアレイにも属さない複数の第1領域341ないし第4領域344をさらに含んでもよい。いかなる単位パターンアレイにも属さない第1領域341ないし第4領域344は、色分離レンズアレイ340のエッジに沿っても配列される。言い換えれば、色分離レンズアレイ340の左側エッジに1列を構成する多数の第2領域342と、多数の第4領域344とが追加して配列され、右側エッジに1列を構成する多数の第1領域341と、多数の第3領域343とが追加して配列され、上部側エッジに1行を構成する多数の第3領域343と、多数の第4領域344とが追加して配列され、下部側エッジに1行を構成する多数の第1領域341と、多数の第2領域342とが追加して配列されうる。 The color separation lens array 340 may further include a plurality of first regions 341 to 344 that do not belong to any unit pattern array. The first regions 341 to 344 that do not belong to any unit pattern array may also be arranged along the edge of the color separation lens array 340. In other words, a plurality of second regions 342 and a plurality of fourth regions 344 may be additionally arranged in a row at the left edge of the color separation lens array 340, a plurality of first regions 341 and a plurality of third regions 343 may be additionally arranged in a row at the right edge, a plurality of third regions 343 and a plurality of fourth regions 344 may be additionally arranged in a row at the upper edge, and a plurality of first regions 341 and a plurality of second regions 342 may be additionally arranged in a row at the lower edge.
図24は、図23に図示された色分離レンズアレイ340を、C-C’ラインに沿って切開した垂直断面である。図24を参照すれば、色分離レンズアレイ340は、センサ基板110のエッジに対して水平方向に突出して配置され、鉛直方向に、センサ基板110のいかなる光感知セルとも対向しない多数の第1領域341と、多数の第2領域342を含んでもよい。たとえ図24にいずれも図示されていないにしても、図23において、いかなる単位パターンアレイにも属さない多数の第1領域341ないし第4領域344は、いずれも、センサ基板110のエッジに対して水平方向に突出して配置され、鉛直方向に、しかなる光感知セルとも対向しない。 24 is a vertical cross-section of the color separation lens array 340 shown in FIG. 23 taken along line C-C'. Referring to FIG. 24, the color separation lens array 340 may include a plurality of first regions 341 and a plurality of second regions 342 that are arranged to protrude horizontally from the edge of the sensor substrate 110 and do not face any photosensitive cells of the sensor substrate 110 in the vertical direction. Although not shown in FIG. 24, the plurality of first regions 341 to fourth regions 344 that do not belong to any unit pattern array in FIG. 23 are all arranged to protrude horizontally from the edge of the sensor substrate 110 and do not face any photosensitive cells in the vertical direction.
図6Aないし図6D、図7Aないし図7D、及び図8Aないし図8Dで説明したように、光感知セルは、鉛直に対応する色分離レンズアレイ340の領域だけではなく、その領域周辺にある多数の他領域からも光を提供される。従って、色分離レンズアレイ340のエッジに沿って追加された第1領域341ないし第4領域344がない場合、センサ基板110のエッジに沿って配列された光感知セルに入射する光の光量が少なくなり、色純度も低下してしまう。色分離レンズアレイ340のエッジに沿い、追加して第1領域341ないし第4領域344を配列することにより、センサ基板110のエッジに沿って配列された光感知セルにも、センサ基板110の内側に配列された光感知セルと同一に、光が提供されうる。そのような図23及び図24に図示された実施形態は、前述の色分離レンズアレイ130、140、150、160、170にも適用されうる。 As described with reference to FIGS. 6A to 6D, 7A to 7D, and 8A to 8D, each photosensitive cell receives light not only from the region of the color separation lens array 340 that corresponds to it in the vertical direction, but also from numerous other regions located around that region. Therefore, without the first to fourth regions 341 to 344 added along the edge of the color separation lens array 340, the amount of light incident on the photosensitive cells arranged along the edge of the sensor substrate 110 would be reduced, resulting in a decrease in color purity. By adding the first to fourth regions 341 to 344 along the edge of the color separation lens array 340, light can be provided to the photosensitive cells arranged along the edge of the sensor substrate 110 in the same way as the photosensitive cells arranged inside the sensor substrate 110. The embodiments illustrated in FIGS. 23 and 24 may also be applied to the color separation lens arrays 130, 140, 150, 160, and 170 described above.
図25は、さらに他の実施形態による画素アレイの概略的な構造を示す断面図であり、図26は、図25の色分離レンズアレイに採用されるナノポストの例示的な形状を示す斜視図である。 Figure 25 is a cross-sectional view showing the schematic structure of a pixel array according to yet another embodiment, and Figure 26 is a perspective view showing an exemplary shape of nanoposts used in the color separation lens array of Figure 25.
画素アレイ1100bは、光をセンシングするセンサ基板310と、センサ基板310上に配置された色分離レンズアレイ350と、を含む。センサ基板310と色分離レンズアレイ350との間には、スペーサ層320が配置される。色分離レンズアレイ350は、スペーサ層320によって支持され、所定規則によって配列された複数のナノポストNPを含む。センサ基板310は、光を感知する複数の光感知セルを含み、色分離レンズアレイ350の複数の領域と一対一で対応しながら、対向することができる。そのような領域区分の表示は、便宜上省略されている。 The pixel array 1100b includes a sensor substrate 310 that senses light and a color separation lens array 350 disposed on the sensor substrate 310. A spacer layer 320 is disposed between the sensor substrate 310 and the color separation lens array 350. The color separation lens array 350 is supported by the spacer layer 320 and includes a plurality of nanoposts NPs arranged according to a predetermined pattern. The sensor substrate 310 includes a plurality of photosensitive cells that sense light, and can face the plurality of regions of the color separation lens array 350 in one-to-one correspondence. The illustration of such region divisions has been omitted for convenience.
本実施形態による色分離レンズアレイ350は、複数のナノポストNPそれぞれが、下部ポストLP、及び下部ポストLP上に積層された上部ポストUPを含む点において、前述の実施形態と違いがある。 The color separation lens array 350 of this embodiment differs from the previously described embodiment in that each of the multiple nanoposts NP includes a lower post LP and an upper post UP stacked on the lower post LP.
複数のナノポストNPのうち一部は、下部ポストLPと上部ポストUPとが互いにずれるように積層された形状を有することができる。ずれる程度は、図26にbで表示されており、該大きさは、画素アレイ1100bの中心部Cから周辺部pに行くほど、すなわち、半径方向に沿って大きくもなる。上部ポストUPが下部ポストLPからずれる方向は、中心部Cから周辺部pに向かう方向になる。 Some of the nanoposts NP may have a stacked shape in which the lower posts LP and upper posts UP are misaligned with each other. The degree of misalignment is indicated by b in FIG. 26, and this magnitude increases as one moves from the center C to the periphery p of the pixel array 1100b, i.e., in the radial direction. The direction in which the upper posts UP are misaligned from the lower posts LP is from the center C toward the periphery p.
そのような構造でもってナノポストNPを製造するために、下部ポストLP間の領域を充填し、上部ポストUPを支持する第1物質層331、上部ポストUPを覆う第2物質層332がさらに具備されうる。第1物質層331、第2物質層332は、上部ポストUP、下部ポストLPをなす物質の屈折率より低い屈折率の物質によっても形成される。 To fabricate nanoposts NP with such a structure, a first material layer 331 that fills the area between the lower posts LP and supports the upper posts UP, and a second material layer 332 that covers the upper posts UP may be further provided. The first material layer 331 and the second material layer 332 may be formed of a material with a refractive index lower than that of the material forming the upper posts UP and lower posts LP.
そのような配置は、撮像装置に採用される画素アレイ1100bの周辺部と中心部とにおける光入射角が異なることを考慮したものである。一般的に、画素アレイ1100bの中心部C近辺においては、光が垂直入射され、周辺部pに行くほど入射角が大きくなることになる。そのような入射経路と対応する形態でナノポストNPを構成し、画素アレイ1100bに斜めに入射する斜光線についても、ナノポストNPが意図する色分離がさらに好ましく起こるようにすることができる。 This arrangement takes into account the fact that the angle of light incidence differs between the periphery and center of the pixel array 1100b used in the imaging device. Generally, light is incident perpendicularly near the center C of the pixel array 1100b, and the angle of incidence increases as it approaches the periphery p. By configuring the nanopost NP in a form that corresponds to this incidence path, it is possible to more effectively achieve the color separation intended by the nanopost NP, even for oblique light rays that are incident obliquely on the pixel array 1100b.
ナノポストNPは、上下2層に積層された構造を例示したが、3層以上の構造を有することもでき、位置により、上下2層のナノポストの形態や大きさが変化もする。そのような図25及び図26に図示された実施形態は、前述の色分離レンズアレイ130、140、150、160、170、340にも適用されうる。 Although the nanopost NPs are illustrated as having a two-layer structure, they can also have a three-layer or more structure, and the shape and size of the nanoposts in the two layers can vary depending on their position. The embodiments shown in Figures 25 and 26 can also be applied to the color separation lens arrays 130, 140, 150, 160, 170, and 340 described above.
前述の実施形態によるイメージセンサは、カラーフィルタによる光損失がほとんどないために、画素の大きさが小さくなっても、画素に十分な量の光を提供することができる。従って、数億個以上の画素を有する超高解像度マイクロ高感度イメージセンサの作製が可能である。そのような超高解像度マイクロ高感度イメージセンサは、多様な高性能光学装置または高性能電子装置にも採用される。そのような電子装置は、例えば、スマートフォン、携帯電話、携帯電話、PDA(personal digital assistant)、ラップトップ、PC(personal computer)、多様なポータブル機器、家電製品、保安カメラ、医療用カメラ、自動車、事物インターネット(IoT:Internet of Things)機器、その他モバイルまたは非モバイルのコンピュータ装置でもあるが、それらに制限されるものではない。 Because the image sensor according to the above-described embodiment suffers almost no light loss due to the color filter, it can provide a sufficient amount of light to each pixel even when the pixel size is small. Therefore, it is possible to fabricate ultra-high-resolution, micro-high-sensitivity image sensors with hundreds of millions of pixels. Such ultra-high-resolution, micro-high-sensitivity image sensors can also be used in a variety of high-performance optical or electronic devices. Examples of such electronic devices include, but are not limited to, smartphones, mobile phones, cell phones, PDAs (personal digital assistants), laptops, PCs (personal computers), various portable devices, home appliances, security cameras, medical cameras, automobiles, Internet of Things (IoT) devices, and other mobile or non-mobile computing devices.
図27は、一実施形態によるイメージセンサを含む電子装置を概略的に図示したブロック図である。該電子装置は、イメージセンサ1000、プロセッサ2200、メモリ2300、ディスプレイ2400及びバス2500を含む。イメージセンサ1000は、プロセッサ2200の制御により、外部の被写体に係わる映像情報を獲得し、プロセッサ2200に提供する。プロセッサ2200は、イメージセンサ1000から提供された映像情報を、バス2500を介してメモリ2300に保存し、メモリ2300に保存された映像情報をディスプレイ2400に出力し、ユーザに表示することもできる。また、プロセッサ2200は、イメージセンサ1000から提供された映像情報に対し、多様な映像処理を行うこともできる。 Figure 27 is a block diagram illustrating an electronic device including an image sensor according to one embodiment. The electronic device includes an image sensor 1000, a processor 2200, a memory 2300, a display 2400, and a bus 2500. The image sensor 1000 acquires image information related to an external object under the control of the processor 2200 and provides it to the processor 2200. The processor 2200 can store the image information provided from the image sensor 1000 in the memory 2300 via the bus 2500 and output the image information stored in the memory 2300 to the display 2400 for display to the user. The processor 2200 can also perform various image processing on the image information provided from the image sensor 1000.
図28ないし図38は、一実施形態によるイメージセンサが適用された電子装置の多様なマルチメディア例を示す。 Figures 28 to 38 show various multimedia examples of electronic devices to which an image sensor according to one embodiment is applied.
一実施形態によるイメージセンサは、映像撮影機能を具備している多様なマルチメディア装置にも適用される。例えば、該イメージセンサは、図28に図示されたカメラ2000にも適用される。カメラ2000は、デジタルカメラまたはデジタルカムコーダでもある。 An image sensor according to one embodiment can also be applied to various multimedia devices equipped with video capture capabilities. For example, the image sensor can also be applied to the camera 2000 shown in FIG. 28. The camera 2000 can also be a digital camera or a digital camcorder.
図29を参照すれば、カメラ2000は、撮像部2100、イメージセンサ1000及びプロセッサ2200を含んでもよい。 Referring to FIG. 29, the camera 2000 may include an imaging unit 2100, an image sensor 1000, and a processor 2200.
撮像部2100は、被写体OBJから反射された光を集束し、光学像を形成する。撮像部2100は、対物レンズ2010、レンズ駆動部2120、絞り2130及び絞り駆動部2140を含んでもよい。図29には、便宜上、1つのレンズだけが代表して表示されているが、実際には、対物レンズ2010は、大きさと形態とがそれぞれ異なる複数のレンズを含んでもよい。レンズ駆動部2120は、プロセッサ2200と、焦点検出に係わる情報を通信することができ、プロセッサ2200から提供された制御信号により、対物レンズ2010の位置を調節することができる。レンズ駆動部2120は、対物レンズ2010を移動させ、対物レンズ2010と被写体OBJとの距離を調節したり、対物レンズ2010内の個別レンズの位置を調節したりすることができる。レンズ駆動部2120が対物レンズ2010を駆動させることにより、被写体OBJに対する焦点が調節されうる。そのようなカメラ2000は、自動焦点(AF:auto focus)機能を具備することができる。 The imaging unit 2100 focuses light reflected from the object OBJ to form an optical image. The imaging unit 2100 may include an objective lens 2010, a lens driver 2120, an aperture 2130, and an aperture driver 2140. For convenience, only one lens is shown in FIG. 29 ; however, in reality, the objective lens 2010 may include multiple lenses of different sizes and shapes. The lens driver 2120 may communicate information related to focus detection with the processor 2200 and adjust the position of the objective lens 2010 based on a control signal provided by the processor 2200. The lens driver 2120 may move the objective lens 2010 to adjust the distance between the objective lens 2010 and the object OBJ or adjust the position of individual lenses within the objective lens 2010. The lens driver 2120 may drive the objective lens 2010 to adjust the focus on the object OBJ. Such a camera 2000 may be equipped with an auto focus (AF) function.
絞り駆動部2140は、プロセッサ2200と、光量に係わる情報を通信することができ、プロセッサ2200から提供された制御信号により、絞り2130を調節することができる。例えば、絞り駆動部2140は、対物レンズ2010を介してカメラ2000内部に入る光の量により、絞り2130の口径を増減させることができ、絞り2130の開放時間を調節することができる。 The aperture driver 2140 can communicate information related to the amount of light with the processor 2200 and adjust the aperture 2130 based on a control signal provided by the processor 2200. For example, the aperture driver 2140 can increase or decrease the aperture of the aperture 2130 and adjust the opening time of the aperture 2130 depending on the amount of light entering the camera 2000 through the objective lens 2010.
イメージセンサ1000は、入射される光の強度を基に、電気的なイメージ信号を生成することができる。イメージセンサ1000は、画素アレイ1100、タイミングコントローラ(T/C)1010及び出力回路1030を含んでもよい。たとえ図29には、図示されていないにしても、イメージセンサ1000は、図1に図示されたロウデコーダをさらに含んでもよい。対物レンズ2010及び絞り2130を透過した光は、画素アレイ1100の受光面に、被写体OBJの像を結像させることができる。画素アレイ1100は、光学信号を電気信号に変換するCCDまたはCMOSでもある。画素アレイ1100は、自動焦点(AF)機能または距離測定機能を遂行するための追加的な画素を含んでもよい。また、画素アレイ1100は、前述の色分離レンズアレイを含んでもよい。 The image sensor 1000 can generate an electrical image signal based on the intensity of incident light. The image sensor 1000 may include a pixel array 1100, a timing controller (T/C) 1010, and an output circuit 1030. Although not shown in FIG. 29, the image sensor 1000 may further include a row decoder as shown in FIG. 1. Light passing through the objective lens 2010 and the aperture 2130 can form an image of the object OBJ on the light-receiving surface of the pixel array 1100. The pixel array 1100 may be a CCD or CMOS that converts optical signals into electrical signals. The pixel array 1100 may include additional pixels for performing an autofocus (AF) function or a distance measurement function. The pixel array 1100 may also include the color separation lens array described above.
プロセッサ2200は、カメラ2000の全般的な動作を制御することができ、映像処理機能を具備することができる。例えば、プロセッサ2200は、レンズ駆動部2120、絞り駆動部2140、タイミングコントローラ1010などに、各構成要素動作のための制御信号を提供することができる。 The processor 2200 can control the overall operation of the camera 2000 and can have image processing functions. For example, the processor 2200 can provide control signals for the operation of each component to the lens driver 2120, aperture driver 2140, timing controller 1010, etc.
一実施形態によるイメージセンサは、図30に図示されたモバイルフォンまたはスマートフォン3000、図31に図示されたタブレットまたはスマートタブレット3100、図32に図示されたノート型パソコン3200、または図33に図示されたテレビまたはスマートテレビ3300などにも適用されうる。例えば、スマートフォン3000またはスマートタブレット3100は、高解像度イメージセンサがそれぞれ搭載された複数の高解像度カメラを含んでもよい。該高解像度カメラを利用し、映像内被写体の深さ情報を抽出したり、映像のアウトフォーカシングを調節したり、映像内被写体を自動的に識別したりすることができる。 An image sensor according to an embodiment may also be applied to a mobile phone or smartphone 3000 shown in FIG. 30, a tablet or smart tablet 3100 shown in FIG. 31, a laptop computer 3200 shown in FIG. 32, or a television or smart TV 3300 shown in FIG. 33. For example, the smartphone 3000 or smart tablet 3100 may include multiple high-resolution cameras, each equipped with a high-resolution image sensor. The high-resolution cameras may be used to extract depth information of an object in an image, adjust out-of-focus of the image, or automatically identify an object in an image.
また、イメージセンサは、図34に図示されたスマート冷蔵庫3400、図35に図示された保安カメラ3500、図36に図示されたロボット3600、図35に図示された医療用カメラ3700などにも適用される。例えば、スマート冷蔵庫3400は、イメージセンサを利用し、冷蔵庫内にある飲食物を自動的に認識し、特定飲食物の存在いかん、入出庫した飲食物の種類などをスマートフォンを介し、ユーザに知らせることができる。保安カメラ3500は、超高解像度映像を提供することができ、高感度を利用し、暗い環境においても、映像内の事物または人を認識することができるようにする。ロボット3600は、人が直接接近することができない災害現場または産業現場に投入され、高解像度映像を提供することができる。医療用カメラ3700は、診断または手術のための高解像度映像を提供することができ、視野を動的に調節することができる。 Image sensors are also applied to the smart refrigerator 3400 shown in FIG. 34, the security camera 3500 shown in FIG. 35, the robot 3600 shown in FIG. 36, and the medical camera 3700 shown in FIG. 35. For example, the smart refrigerator 3400 can automatically recognize food and beverages in the refrigerator using an image sensor and notify the user via a smartphone of the presence or absence of specific food and beverages, the type of food and beverages that have been taken in and out, etc. The security camera 3500 can provide ultra-high resolution images and uses high sensitivity to recognize objects or people in images even in dark environments. The robot 3600 can be deployed in disaster sites or industrial sites where people cannot directly approach and can provide high-resolution images. The medical camera 3700 can provide high-resolution images for diagnosis or surgery and can dynamically adjust its field of view.
また、イメージセンサは、図38に図示されているように、車両3800に適用されうる。車両3800は、多様な位置に配置された複数の車両用カメラ3810、3820、3830、3840を含んでもよい。それぞれの車両用カメラ3810、3820、3830、3840は、一実施形態によるイメージセンサを含んでもよい。車両3800は、複数の車両用カメラ3810、3820、3830、3840を利用し、車両3800の内部または周辺に係わる多様な情報を運転手に提供することができ、映像内の事物または人を自動的に認識し、自律走行に必要な情報を提供することができる。 The image sensor may also be applied to a vehicle 3800, as shown in FIG. 38. The vehicle 3800 may include a plurality of vehicle cameras 3810, 3820, 3830, and 3840 arranged at various positions. Each of the vehicle cameras 3810, 3820, 3830, and 3840 may include an image sensor according to an embodiment. The vehicle 3800 may use the plurality of vehicle cameras 3810, 3820, 3830, and 3840 to provide the driver with various information related to the interior or surroundings of the vehicle 3800, and may automatically recognize objects or people in the image and provide information necessary for autonomous driving.
前述の色分離レンズアレイを具備するイメージセンサ、及びそれを含む電子装置について、たとえ図面に図示された実施形態を参照して説明されたにしても、それらは、例示的なものに過ぎず、当該分野において当業者であるならば、それらから多様な変形、及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解するであろう。従って、開示された実施形態は、限定的な観点ではなく、説明的な観点から考慮されなければならない。権利範囲は、前述の説明ではなく、特許請求の範囲に示されており、それらと同等な範囲内にある全ての差異は、権利範囲に含まれたものであると解釈されなければならないのである。 Although the image sensor having the color separation lens array and the electronic device including the same have been described with reference to the embodiments illustrated in the drawings, these are merely exemplary, and those skilled in the art will understand that numerous modifications and equivalent embodiments are possible. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a restrictive perspective. The scope of the claims is set forth in the appended claims, not the foregoing description, and all differences that fall within the range of equivalents thereof should be construed as being within the scope of the claims.
105 カラーフィルタ
110 センサ基板
111、112、113、114 光感知セル
120 スペーサ層
130、140、150、160、170、340、350 色分離レンズアレイ
131、141、151、161、171 第1領域
132、142、152、162、172 第2領域
133、143、153、163、173 第3領域
134、144、154、164、174 第4領域
1000 イメージセンサ
1010 タイミングコントローラ
1020 ロウデコーダ
1030 出力回路
1100、1100a、1100b 画素アレイ
NP ナノポスト
105 color filter 110 sensor substrate 111, 112, 113, 114 photosensitive cell 120 spacer layer 130, 140, 150, 160, 170, 340, 350 color separation lens array 131, 141, 151, 161, 171 first region 132, 142, 152, 162, 172 second region 133, 143, 153, 163, 173 third region 134, 144, 154, 164, 174 fourth region 1000 image sensor 1010 timing controller 1020 row decoder 1030 output circuit 1100, 1100a, 1100b pixel array NP nanopost
Claims (20)
前記第1ナノポストと前記第2ナノポストは、形状、大きさ、配列のうち少なくとも一つが互いに異なり、
前記第1ナノポストと前記第2ナノポストは、前記色分離レンズアレイに入射する入射光のうち、互いに異なる第1波長の光と、第2波長の光とが互いに異なる方向に分岐され、それぞれ前記第1光感知セル及び前記第2光感知セルに集光される位相分布を、前記第1領域及び前記第2領域を通過した位置で形成し、
前記色分離レンズアレイは、前記第2波長の光については複数のマイクロレンズのアレイと等価の役割をし、かつそれぞれのマイクロレンズは前記第2光感知セルより大きく、
前記色分離レンズアレイは、前記第1波長の光については複数のマイクロレンズのアレイと等価の役割をし、かつそれぞれのマイクロレンズは前記第1光感知セルより大きく、
前記第1ナノポストと前記第2ナノポストは、
前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、第1波長の光が、前記第1光感知セルの中心部に対応する位置においては、2Nπの位相分布を形成し、前記第2光感知セルの中心部に対応する位置においては、(2N-1)πの位相分布を形成し、Nは、0より大きい整数である、イメージセンサ。 a sensor substrate including first and second photosensitive cells that detect light; and a color separation lens array including a first region facing the first photosensitive cells and including first nanoposts, and a second region facing the second photosensitive cells and including second nanoposts,
The first nanoposts and the second nanoposts are different from each other in at least one of shape, size, and arrangement;
the first nanoposts and the second nanoposts split light having a first wavelength and light having a second wavelength, which are different from each other, from the light incident on the color separation lens array into light beams in different directions, and form phase distributions at positions where the light beams pass through the first region and the second region and are focused on the first photosensitive cell and the second photosensitive cell, respectively;
the color separation lens array functions equivalently to an array of a plurality of microlenses for the light of the second wavelength, and each microlens is larger than the second photosensitive cell;
the color separation lens array functions equivalently to an array of a plurality of microlenses for the light of the first wavelength, and each microlens is larger than the first photosensitive cell;
The first nanopost and the second nanopost are
the light of the first wavelength forms a phase distribution of 2Nπ at a position corresponding to a center of the first photosensitive cell immediately after passing through the color separation lens array, and forms a phase distribution of (2N−1)π at a position corresponding to a center of the second photosensitive cell, where N is an integer greater than 0 .
前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、第2波長の光が、前記第1光感知セルの中心部に対応する位置においては、(2M-1)πの位相分布を形成し、前記第2光感知セルの中心部に対応する位置においては、2Mπの位相分布を形成し、Mは、0より大きい整数である、請求項1に記載のイメージセンサ。 The first nanopost and the second nanopost are
2. The image sensor of claim 1, wherein, immediately after passing through the color separation lens array, the light of the second wavelength forms a phase distribution of (2M−1)π at a position corresponding to a center of the first photosensitive cell, and forms a phase distribution of 2Mπ at a position corresponding to a center of the second photosensitive cell, where M is an integer greater than 0.
前記スペーサ層の実際厚hは、ht-p≦h≦ht+pである、請求項3に記載のイメージセンサ。 Let h t be the theoretical thickness of the spacer layer, p be the pitch between the photosensitive cells, n be the refractive index of the spacer layer, and λ 0 be the central wavelength of the wavelength band of light that is color-separated by the color separation lens array. Then, the theoretical thickness h t of the spacer layer is given by
4. The image sensor of claim 3 , wherein the spacer layer has an actual thickness h such that h t -p≦h≦h t +p.
前記色分離レンズアレイは、前記第3光感知セルに対向し、第3ナノポストを含む第3領域、及び前記第4光感知セルに対向し、第4ナノポストを含む第4領域を含み、
前記第3ナノポストと前記第4ナノポストは、形状、大きさ、配列のうち少なくとも一つが互いに異なる、請求項1~5のいずれか1項に記載のイメージセンサ。 the sensor substrate further includes a third photo-sensitive cell and a fourth photo-sensitive cell that sense light,
the color separation lens array includes a third region facing the third photosensitive cell and including third nanoposts, and a fourth region facing the fourth photosensitive cell and including fourth nanoposts;
The image sensor of claim 1 , wherein the third nanoposts and the fourth nanoposts are different from each other in at least one of shape, size, and arrangement.
前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、第1波長の光が、前記第1光感知セルの中心部と、前記第4光感知セルの中心部とに対応する位置においては、2Nπの位相分布を形成し、前記第2光感知セルの中心部と、前記第3光感知セルの中心部とに対応する位置においては、(2N-1)πの位相分布を形成するようにし、Nは、0より大きい整数である、請求項6に記載のイメージセンサ。 The first nanopost to the fourth nanopost are
7. The image sensor according to claim 6, wherein, immediately after passing through the color separation lens array, the light of the first wavelength forms a phase distribution of 2Nπ at positions corresponding to the central parts of the first photosensitive cells and the fourth photosensitive cells, and forms a phase distribution of (2N−1)π at positions corresponding to the central parts of the second photosensitive cells and the third photosensitive cells, where N is an integer greater than 0.
前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、第2波長の光が、前記第1光感知セルの中心部、及び前記第4光感知セルの中心部に対応する位置においては、(2M-1)πの位相分布を形成し、前記第2光感知セルの中心部に対応する位置においては、2Mπの位相分布を形成し、前記第3光感知セルの中心部に対応する位置において、(2M-2)πより大きく、(2M-1)πより小さい位相分布を形成するようにし、Mは、0より大きい整数である、請求項9に記載のイメージセンサ。 The first nanopost to the fourth nanopost are
10. The image sensor of claim 9, wherein, immediately after passing through the color separation lens array, the light of the second wavelength forms a phase distribution of (2M−1)π at positions corresponding to the central parts of the first photosensitive cells and the fourth photosensitive cells, a phase distribution of 2Mπ at a position corresponding to the central part of the second photosensitive cells, and a phase distribution larger than (2M−2)π and smaller than (2M−1)π at a position corresponding to the central part of the third photosensitive cell, where M is an integer larger than 0.
前記色分離レンズアレイを通過した直後の位置において、第3波長の光が、前記第1光感知セルの中心部、及び前記第4光感知セルの中心部に対応する位置においては、(2L-1)πの位相分布を形成し、前記第3光感知セルの中心部に対応する位置においては、2Lπの位相分布を形成し、前記第2光感知セルの中心部に対応する位置において、(2L-2)πより大きく、(2L-1)πより小さい位相分布を形成するようにし、Lは、0より大きい整数である、請求項10に記載のイメージセンサ。 The first nanopost to the fourth nanopost are
11. The image sensor according to claim 10, wherein, immediately after passing through the color separation lens array, the light of the third wavelength forms a phase distribution of (2L-1)π at positions corresponding to the central parts of the first and fourth photosensitive cells, a phase distribution of 2Lπ at a position corresponding to the central part of the third photosensitive cell, and a phase distribution larger than (2L-2)π and smaller than (2L-1)π at a position corresponding to the central part of the second photosensitive cell, where L is an integer larger than 0.
前記第1領域ないし前記第4領域において、緑色画素に対応する領域に具備されているナノポストは、第1方向、及び第1方向に垂直した第2方向に沿い、互いに異なる分布規則を有する、請求項9~11のいずれか1項に記載のイメージセンサ。 the image sensor has a pixel array structure in which a plurality of unit pixels including red pixels, green pixels, and blue pixels are arranged in a Bayer pattern;
The image sensor of any one of claims 9 to 11, wherein the nanoposts provided in the regions corresponding to green pixels in the first to fourth regions have different distribution patterns along a first direction and a second direction perpendicular to the first direction.
前記下部ポストと前記上部ポストとが互いにずれるように積層された、請求項1~16のいずれか1項に記載のイメージセンサ。 At least one of the first nanoposts and the second nanoposts includes a lower post and an upper post stacked on the lower post;
The image sensor according to claim 1 , wherein the lower post and the upper post are stacked so as to be offset from each other.
前記撮像部で形成された光学像を電気的信号に変換する、請求項1~18のいずれか1項に記載のイメージセンサと、を含む電子装置。 an imaging unit that focuses light reflected from a subject to form an optical image;
and the image sensor according to any one of claims 1 to 18 , which converts an optical image formed by the imaging section into an electrical signal.
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